WO2014170004A1 - Uv-bestrahlungsvorrichtung mit zusätzlicher monochromatischer strahlungsquelle - Google Patents

Uv-bestrahlungsvorrichtung mit zusätzlicher monochromatischer strahlungsquelle Download PDF

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    • B05D7/53—Base coat plus clear coat type

Definitions

  • UV irradiation device with additional monochromatic radiation source UV irradiation device with additional monochromatic radiation source
  • the present invention relates to a process for UV crosslinking of paint layers.
  • the invention also relates to an irradiation device for carrying out the method.
  • UV crosslinking hardens and dries lacquers applied to substrates.
  • the paint remains flowable until crosslinking and can be abruptly solidified after application to a substrate.
  • the UV radiation source used in most cases is a radiation source which emits both UV radiation and visible light and a high percentage of infrared radiation (IR radiation).
  • IR radiation infrared radiation
  • the high proportion of IR radiation leads to high process temperatures which can damage the substrates to be irradiated.
  • a radiation source may be called a high-pressure Hg lamp.
  • critical temperatures are often achieved with conventional irradiation. For example, in the known under the name ABS plastic material temperatures of 85 ° C should not be exceeded.
  • components mounted on the exterior of vehicles should have a metallic appearance.
  • these components are often based on plastic substrates which are given a metallic appearance by coating.
  • a lacquer layer (basecoat) is first applied to these substrates, inter alia to smooth the surface.
  • the PVD layer is covered by means of a UV-curing substantially transparent lacquer (topcoat) in high gloss or a matting.
  • topcoat and PVD layer have different thermal expansion coefficients.
  • embrittlement with increased cross-linking thus has the consequence, for example, of a temperature change or mechanical stress, that if the underlying material changes its expansion in accordance with a different thermal expansion coefficient, the lacquer no longer adheres to this material and thus flakes off.
  • such a brittle paint can also lead to fatal flaking of the paint.
  • the present invention is therefore based on the object to provide a paint having a good micro scratch resistance without realizing the disadvantage of embrittlement.
  • the invention is also based on the object of providing a method according to which a lacquer layer can be produced which has a good micro-scratch resistance without realizing the disadvantage of embrittlement.
  • the method can be carried out in particular under atmospheric conditions, i. no inert gas atmosphere is necessary.
  • the object is achieved by connecting an additional monochromatic UV-C lamp (for example in direct irradiation to the object) to the high-pressure Hg lamp already known from the prior art after a defined time.
  • FIG. 1 shows a device 1 for crosslinking UV-coated substrates which are arranged on a spindle 3.
  • the spindle slowly rotates clockwise.
  • a high-pressure Hg lamp 5 is arranged, which emits a broad radiation spectrum, including UV, visible and IR radiation, indicated by the arrow end provided with crossed hatching.
  • This radiation is incident on a cold light mirror 7 rotated by 45 ° to the main radiation direction.
  • the cold light mirror 7 essentially reflects the UV light downwards in the direction of the spindle and transmits substantially visible light and IR radiation.
  • UV light which is incident from the high-pressure Hg lamp 5 on the surface of the painted substrates arranged on the spindle is absorbed by the lacquer layer and causes the polymers in the lacquer to crosslink substantially uniformly and to a certain degree.
  • the substrates of the UV radiation of the Hg lamp are exposed for about 120 seconds. Switching on and off of this radiation takes place by switching on and off the Hg lamp or by rotation of the cold light mirror 7 in or out of the beam path of the Hg lamp, preferably about an axis 9, which is located outside the beam path.
  • FIG. 1 shows a UV-C lamp 1 1 which emits substantially monochromatic radiation of the wavelength 254 nm in the direction of the spindle surface.
  • the substrates are additionally exposed to this radiation but with respect to the broadband radiation of the Hg lamp 5 at a later time.
  • This can be achieved, for example, with a rotating spindle such that the UV-C lamp 1 1 is switched on and off very often and in such a way that no UV-C radiation is incident on the spindle for 50% of the time.
  • Another possibility is to provide a shutter between spindle and UV-C lamp, which absorbs the radiation of the UV-C lamp.
  • a periodically inserted into the beam path of the UV-C lamp mirror There may also be several mirrors e.g. to be assembled into a rotating mirror drum.
  • the monochromatic UV-C radiation has only a very small penetration depth into the paint surface and therefore crosslinks only the surface area of the paint additionally. On This creates a very hard and thus very resistant to micro-scratch surface without this entire coating layer would be embrittled.
  • the use of the cold light mirror for the radiation of the mercury lamp, preferably as described above in combination with the UV-C lamp is then particularly advantageous if the non-crosslinked paint has a temperature which is well above room temperature. This is the case, for example, if, after application of the lacquer, it is exposed to intensive IR irradiation in order to accelerate the escape of any solvents. In this case, 70 ° C is rapidly reached by the IR pretreatment. Beauching with the unfiltered radiation of the Hg lamp would raise the temperature of the paint above the permitted level. By using the cold light mirror, this danger does not exist. Due to the increased starting temperature, the crosslinking speed is accelerated. Due to the lack of visible and IR radiation, however, there is no excessive heating.
  • a component has been disclosed whose surface is at least partially covered by a coating, wherein the coating comprises a PVD coating arranged between a first lacquer layer and a second lacquer layer and the first lacquer layer forms a basecoat layer on the surface and the second lacquer layer comprises a topcoat layer forms a topcoat thickness on the PVD coating, wherein at least the topcoat layer was prepared with UV-curing lacquer.
  • the topcoat layer has a lower degree of crosslinking induced by UV light than in the part of the tocoate layer adjoining this area
  • the degree of crosslinking of the topcoat layer is highest at the interface with the environment.
  • the basecoat layer may also be made with UV-curing lacquer.
  • the PVD layer may comprise two layers and preferably be made of a plurality of PVD layers. It has been disclosed for producing a metallic finish component with the following steps:
  • the light of the Hg lamp before it acts on the topcoat preferably the light of the Hg lamp before it acts on the topcoat, filtered by means of a cold light mirror.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich eine Komponente, deren Oberfläche zumindest teilweise mit einer Beschichtung bedeckt ist, wobei die Beschichtung eine zwischen einer ersten Lackschicht und einer zweiten Lackschicht angeordnete PVD-Beschichtung umfasst und die erste Lackschicht eine Basecoatschicht auf der Oberfläche bildet und die zweite Lackschicht ein Topcoatschicht mit einer Topcoat-Dicke auf der PVD-Beschichtung bildet, wobei zumindest die Topcoatschicht mit UV-härtendem Lack hergestellt wurde. Ausgehend von der Grenzfläche der PVD-Beschichtung in einem Bereich kleiner als die Topcoat-Dicke hat die Topcoatschicht einen niedrigeren durch UV-Licht induzierten Vernetzungsgrad als im sich an diesen Bereich anschliessenden Teil der Tocoatschicht. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Komponente

Description

UV-Bestrahlungsvorrichtung mit zusätzlicher monochromatischer Strahlungsquelle
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur UV-Vernetzung von Lackschichten. Die Erfindung bezieht sich ausserdem auf eine Bestrahlungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Durch UV-Vernetzung werden auf Substrate aufgebrachte Lacke gehärtet und getrocknet. Der Lack bleibt bis zur Vernetzung fliessfähig und kann nach dem Aufbringen auf ein Substrat schlagartig verfestigt werden.
Als UV-Strahlungsquelle wird in den meisten Fällen eine Strahlungsquelle verwendet welche sowohl UV Strahlung als auch sichtbares Licht und einen hohen Prozentsatz an Infrarotstrahlung (IR-Strahlung) aussendet. Der hohe Anteil an IR-Strahlung führt zu hohen Prozesstemperaturen welche die zu bestrahlenden Substrate schädigen können. Als Beispiel für eine solche Strahlungsquelle kann eine Hochdruck Hg-Lampe genannt werden. Vor allem wenn es sich bei den belackten Substraten um Kunststoffsubstrate handelt werden mit der herkömmlichen Bestrahlung häufig kritische Temperaturen erreicht. Beispielsweise sollte bei dem unter dem Namen ABS bekannten Kunststoffmaterial Temperaturen von 85°C nicht überschritten werden.
Allerdings hat man beim Vernetzen solcher Lacke mit zwei sich gegenseitig konkurierenden Effekten zu kämpfen: Einerseits möchte man solche Oberflächen möglichst kratzfest ausgestalten. Vor allem im Umfeld der Automobilindustrie ist die Mikrokratzbeständigkeit, z.B. im Zusammenhang mit einer Waschstrassenbeständigkeit ein immer wiederkehrendes Thema. Andererseits müssen die Schichten aber auch gut auf der Oberfläche haften.
Häufig sollen im Exterieurbereich von Fahrzeugen angebrachte Komponenten, wie zum Beispiel Zierleisten oder Kühlergrills ein metallisches Aussehen aufweisen. Diese Komponenten beruhen jedoch oftmals auf Kunststoffsubstrate welchen durch Beschichten ein metallisches Aussehen verliehen wird. Gemäss einem sehr vielversprechendem Verfahren wird auf diese Substrate zunächst eine Lackschicht (Basecoat) aufgebracht, unter anderem um die Oberfläche zu glätten. Anschliessend werden eine oder mehrerer hauptsächlich metallische Schichten beispielsweise mittels PVD (= physical vapor deposition) aufgebracht. Diese Schichten verleihen der Komponente das metallische Aussehen. Anschliessend wird die PVD-Schicht mittels eines UV-härtenden im wesentlichen transparenten Lacks (Topcoat) in Hochglanz oder einer Mattierung überdeckt.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Einerseits muss nun die äussere Lackschicht (Topcoat) oben erwähnte Mikrokratzbeständigkeit aufweisen.
Dies kann zum Beispiel mit einem erhöhten Vernetzungsgrad erzielt werden. Nachteilig ist dabei allerdings, dass die gesteigerte Vernetzung der Lackschichten zu einer gesteigerten Versprödung derselben führt, welche u.a. von dem erhöhten Schrumpf bei der Polymeristaion verursacht wird.
Andererseits haben Topcoat und PVD-Schicht unterschiedliche thermische Ausdehungskoeffizienten. Die oben genannte Versprödung bei erhöhter Vernetzung hat also beispielsweise bei Temperaturwechsel oder mechanischer Belastung die Folge, dass, wenn sich das darunterliegende Material entsprechend einem anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten in seiner Ausdehnung ändert, der Lack nicht mehr auf diesem Material haftet und somit abplatzt. Inbesondere auch im Zusammenhang mit der Steinschlagthematik kann ein solch spröder Lack zusätzlich zu fatalen Abplatzungen des Lackes führen.
Es ist daher wünschenswert einen Lack zur Verfügung zu haben welcher eine gute Mikrokratzbeständigkeit aufweist ohne spröde zu sein.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Lack anzugeben der eine gute Mikrokratzbeständigkeit aufweisst ohne den Nachteil der Versprödung zu realisieren. Der Erfindung liegt zudem die Aufgabe zugrunde ein Verfahren anzugeben demgemäss eine Lackschicht hergestellt werden kann die eine gute Mikrokratzbeständigkeit aufweist ohne den Nachteil der Versprödung zu realisieren. Das Verfahren kann insbesondere unter atmosphärischen Bedinungen durchgeführt werden, d.h. es ist keine Inertgasatmosphäre notwendig.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass zur bereits aus dem Stand der Technik bekannten Hochdruck-Hg-Lampe nach einer definierten Zeit eine zusätzliche monochromatische UV-C Lampe (z.B. in direkter Bestrahlung zum Objekt) zugeschalten wird.
Sehr vereinfacht gesprochen hat dies den Effekt, dass die polychromatische Hg-Lampe den Bulk vernetzt und die kurzwelligere UV-C Lampe, mit ihrer sehr geringer Eindringtiefe, die Oberfläche verstärkt vernetzt. Somit werden viel höhere Oberflächenhärten erzeugt, ohne den gesamten Lack zu verspröden.
Die Erfindung wird nun anhand der Figuren beispielhaft im Detail erläutert.
Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Vernetzen von mit UV-Lack beschichteten Substraten welche auf einer Spindel 3 angeordnet sind. Wie der Pfeil andeutet rotiert die Spindel langsam im Uhrzeigersinn. Oberhalb der Spindel ist eine Hochdruck- Hg-Lampe 5 angeordnet, welche ein breites Strahlungsspektrum, umfassend UV-, sichtbare und IR Strahlung aussendet, angedeutet durch das mit gekreuzter Schraffur versehene Pfeilende. Diese Strahlung fällt auf einen um 45° zur Hauptstrahlungsrichtung verdrehten Kaltlichtspiegel 7. Der Kaltlichtspiegel 7 reflektiert das UV Licht im Wesentlichen nach unten in Richtung Spindel und transmittiert im Wesentlichen sichtbares Licht und IR Strahlung. UV Licht welches von der Hochdruck-Hg-Lampe 5 auf die Oberfläche der auf der Spindel angeordneten lackierten Substrate fällt wird von der Lackschicht absorbiert und führt dazu dass die Polymere im Lack im Wesentlichen gleichmässig und bis zu einem bestimmten Grad vernetzen. Im Beispiel sind die Substrate der UV-Strahlung der Hg-Lampe für ca. 120 Sekunden ausgesetzt. An und Abschalten dieser Strahlung erfolgt durch an und abschalten der Hg-Lampe oder durch Rotation des Kaltlichtspiegels 7 in oder aus den Strahlengang der Hg-Lampe heraus, vorzugsweise um eine Achse 9, welche sich ausserhalb des Strahlengangs befindet.
Des weiteren zeigt die Figur 1 eine UV-C Lampe 1 1 welche im Wesentlichen monochromatische Strahlung der Wellenlänge 254nm in Richtung Spindeloberfläche aussendet. Die Substrate werden mit dieser Strahlung zusätzlich beaufschlagt jedoch in Bezug auf die Breitbandstrahlung der Hg-Lampe 5 zu einem späteren Zeitpunkt. Dies kann bei rotierender Spindel beispielsweise so erreicht werden, dass die UV-C Lampe 1 1 sehr oft und in der Weise an- und ausgeschaltet wird, so dass während 50% der Zeit keine UV-C Strahlung auf die Spindel fällt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, zwischen Spindel und UV-C Lampe einen Shutter vorzusehen, der die Strahlung der UV-C Lampe absorbiert. Ebenfalls geeignet ist ein periodisch in den Strahlengang der UV-C Lampe eingebrachter Spiegel. Es können auch mehrere Spiegel z.B. zu einer sich rotierenden Spiegeltrommel assembliert werden.
Die monochromatische UV-C Strahlung hat lediglich eine sehr geringe Eindringtiefe in die Lackoberfläche und vernetzt daher nur den Oberflächenbereich des Lackes zusätzlich. Auf diese Weise entsteht eine sehr harte und damit gegen Mikrokratzer sehr beständige Oberfläche ohne dass dies gesamte Lackschicht versprödet wäre.
Kommt es nun beispielsweise zu einem Temperaturwechsel oder mechanischen Belastungen so führt die zwischen der sich in ihrer Ausdehnung verändernden Lackunterlage und dem zusätzlich vernetzten und damit gehärteten Lackoberflächenbereich sich befindende weniger vernetzte Lack zu einem Art elastischen Puffer. Der Lack haftet weiterhin auf der Unterlage und es kommt nicht zu Abplatzungen. Andererseits ist die zusätzlich vernetzte und damit gehärtete Oberfläche um ein Vielfaches kratzbeständiger als die darunterliegende Lackschicht.
Der Einsatz des Kaltlichtspiegels für die Strahlung der Hg-Lampe, vorzugsweise wie oben geschildert in Kombination mit der UV-C-Lampe ist dann ganz besonders vorteilhaft, wenn der nicht vernetzte Lack eine Temperatur aufweiset, welche deutlich über Zimmertemperatur liegt. Dies ist dann zum Beispiel der Fall, wenn nach Applikation des Lackes dieser einer intensiven IR-Bestrahlung ausgesetzt wird um das Entweichen etwaiger Lösungsmittel zu beschleunigen. In diesem Fall werden rasch 70°C durch die IR- Vorbehandlung erreicht. Beauschlagung mit der ungefilterten Strahlung der Hg-Lampe würde die Temperatur des Lackes über das erlaubte Mass steigern. Durch Einsatz des Kaltlichtspiegels besteht diese Gefahr nicht. Durch die erhöhte Starttemperatur wird die Vernetzungsgeschwindigkeit beschleunigt. Aufgrund des fehlenden sichtbaren und IR Anteils der Strahlung kommt es jedoch nicht zu einer übermässig weiteren Erwärmung.
Es wurde eine Komponente offenbart, deren Oberfläche zumindest teilweise mit einer Beschichtung bedeckt ist, wobei die Beschichtung eine zwischen einer ersten Lackschicht und einer zweiten Lackschicht angeordnete PVD-Beschichtung umfasst und die erste Lackschicht eine Basecoatschicht auf der Oberfläche bildet und die zweite Lackschicht ein Topcoatschicht mit einer Topcoat-Dicke auf der PVD-Beschichtung bildet, wobei zumindest die Topcoatschicht mit UV-härtendem Lack hergestellt wurde. Ausgehend von der Grenzfläche der PVD-Beschichtung in einem Bereich kleiner als die Topcoat-Dicke hat die Topcoatschicht einen niedrigeren durch UV-Licht induzierten Vernetzungsgrad als im sich an diesen Bereich anschliessenden Teil der Tocoatschicht
Vorzugsweise ist der Vernetzungsgrad der Topcoatschicht an der Grenzfläche zur Umgebung am höchsten.
Die Basecoatschicht kann ebenfalls mit UV-härtendem Lack hergestellt worden sein. Die PVD-Schicht kann zwei Schichten umfassen und vorzugsweise aus einer Vielzahl von PVD-Lagen hergestellt worden sein. Es wurde ein zur Herstellung einer Komponente mit metallischem Finish offenbart mit folgenden Schritten:
- Bereitstellung eines Kunststoffsubstrates mit zu beschichtender Oberfläche
- Belackung der Oberfläche mit einer Basecoatschicht
- Applikation einer PVD-Beschichtung auf die mit der Basecoatschicht belackten Oberfläche - Belackung der PVD-Beschichtung mit einem UV-härtenden Topcoatschicht
- Beaufschlagung der Topcoatschicht mit UV-Licht, wobei als Strahlungsquelle zunächst eine Hg-Lampe und anschliessend eine schmalbandige, vorzugsweise monochromatische UV-Strahlungsquelle eingesetzt wird. Mit diesem Verfahren lassen sich die oben beschriebenen erfinderischen Komponenten herstellen.
Beim Verfahren wird vorzugsweise das Licht der Hg-Lampe bevor es die Topcoatschicht beaufschlagt, mittels eines Kaltlichtspiegels gefiltert.

Claims

Ansprüche:
1. Komponente deren Oberfläche zumindest teilweise mit einer Beschichtung bedeckt ist, wobei die Beschichtung eine zwischen einer ersten Lackschicht und einer zweiten Lackschicht angeordnete PVD-Beschichtung umfasst und die erste Lackschicht eine Basecoatschicht auf der Oberfläche bildet und die zweite Lackschicht ein Topcoatschicht mit einer Topcoat-Dicke auf der PVD-Beschichtung bildet, wobei zumindest die Topcoatschicht mit UV-härtendem Lack hergestellt wurde, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von der Grenzfläche der PVD- Beschichtung in einem Bereich kleiner als die Topcoat-Dicke die Topcoatschicht einen niedrigeren durch UV-Licht induzierten Vernetzungsgrad aufweist als im sich an diesen Bereich anschliessenden Teil der Topcoatschicht
2. Komponente nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Vernetzungsgrad der Topcoatschicht an der Grenzfläche zur Umgebung am höchsten ist.
3. Komponente nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet dass die Basecoatschicht ebenfalls mit UV-härtendem Lack hergestellt wurde.
4. Komponente nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD-Schicht zumindest zwei Schichten umfasst und vorzugsweise aus einer Vielzahl von PVD- Lagen hergestellt ist.
5. Verfahren zur Herstellung einer Komponente mit metallischem Finish mit folgenden Schritten:
- Bereitstellung eines Kunststoffsubstrates mit zu beschichtender Oberfläche
- Belackung der Oberfläche mit einer Basecoatschicht
- Applikation einer PVD-Beschichtung auf die mit der Basecoatschicht belackten Oberfläche
- Belackung der PVD-Beschichtung mit einem UV-härtenden Topcoatschicht
- Beaufschlagung der Topcoatschicht mit UV-Licht, wobei als Strahlungsquelle zunächst eine Hg-Lampe und anschliessend eine schmalbandige, vorzugsweise monochromatische UV-Strahlungsquelle eingesetzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, das Licht der Hg-Lampe bevor es die Topcoatschicht beaufschlagt mittels eines Kaltlichtspiegels gefiltert wird.
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