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Verfahren zur Herstellung von Pulverbe-
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schichtungen mit vorgegebener Feinstruktur Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Herstellung von Pulverbeschichtungen mit vorgegebener, durch den
Grad der Ausbildung von Grenzschichten zwischen Partikeln und/oder Partikelagglomeraten
der Pulverschicht bestimmter Feinstruktur, bei welchem die Unterlage mit pulverförmigem
Beschichtungsmaterial an dessen Partikel Adsorbate physikalisch und chemisch gebunden
sind, bestäubt und die auf die Unterlage aufgebrachte Pulverschicht aufgeschmolzen
oder eingebrannt wird.
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Das Auftragen von pulverförmigen Beschichtungsmaterialien, hauptsächlich
Kunststoffen, wie Polyvinylchloriden, Polyacrylaten, Epoxy-Carbamid-Kombinationen
usw. mit oder ohne Pigmenten, auf auch grosse Gegenstände wird industriell allgemein
im (elektrostatischen) Wirbelbett oder mit Pulverzerstäubern oder Pulverspritzpistolen
vorgenommen. In beiden Fällen wird das Beschichtungspulver in Luft dispergiert und
der zu beschichtende Gegenstand der Pulverwolke ausgesetzt. Um gute Beschichtungen
auf kalten Gegenständen zu erhalten, werden die disperierten Pulverpartikel elektrisch
aufgeladen und in einem elektrostatischen
"Transportfeld" zum Gegenstand
getragen und auf dessen auf Gegen- oder Erdpotential liegende Oberfläche abgelagert.
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Die Ueberführung des aufgetragenen Pulvers in die geschlossene Beschichtung
auf der Unterlage kann z.B. durch Wärmebehandlung in einem Einbrennofen erfolgen.
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Kunststoffschichten im allgemeinen werden in der Hauptsache auf Gegenständen
aufgebracht, um diese vor äusseren, das Unterlagenmaterial schädigenden Einflüssen
zu schützen. Zu den Forderungen hinsichtlich rein mechanischer Eigenschaften der
Schicht, wie Haftung auf der Unterlage, Biegbarkeit, Härte, inner Spannungen usw.
kommt daher noch die Forderung nach einer langanhaltenden Schutzwirkung hinzu, für
die ausser Resistenz der jeweils verwendeten Kunststoffmaterialien gegen Wasser,
Gase, Lösungsmittel usw. auch die Diffusion dieser Stoffe in und durch die Schicht
entscheidend ist. Da die Struktur der Schicht für diese Prozesse massgebend ist,
kommt der inneren Feinstruktur der Schicht um so mehr Bedeutung zu, je dünner die
Schichtdicke gewählt wird.
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Aus Veröffentlichungen (K.M. Oesterle, R.Signer, M.Lüscher: FATIPEC-Kongressbuch
1972, pg.l07; K.M.Oesterle, W.Müller, Fl.Studer: FATIPEC-Buch 1970,pg 351), welche
die Wasserdampfdiffusion durch solche Kunststoffschichten behandeln , ist zu entnehmen,
dass die Diffusionserscheinungen weitgehend in den Grenzschichten Pigment/Pigment,
Kunstoffteilchen/Kunststoffteilchen, Pigment/Kunststoffteilchen, Festkörper/Kunststoffteilchen
oder Bindemittel stattfinden. Im Falle von Wasserdampf kann der Diffusionsfluss
ein viskoser oder ein diffuser, molekularer Fluss sein, je nachdem, ob zwischen
Pigment/Bindemittel eine Pseudo-oder eine Effektiv-Benetzung vorhanden ist. Im allgemeinen
sind diffuser und auch viskoser Fluss von Wasserdampf durch die Kunststoffschicht
für deren Korrosionsschutzwirkung schädlich, und um einen langanhaltenden Korrosionsschutz
durch die Kunststoffschicht zu erhalten, ist es erforderlich, einen H2O-Fluss durch
die Schicht so viel wie möglich zu behindern.
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In wenigen Fällen, z.B. bei Zinkstaubgrundierungen, ist der viskose
Wasserfluss durch die Kunststoffschicht jedoch erwünscht, da erst durch Wasserzutritt
zum Zinkstaubpigment die elektroschemisch passivierende Opferanoden-Eigenschaft
des Zinkstaubkorns aktiviert wird. Um einen wirksamen Korrosionsschutz zu erhalten,
ist es in solchen Fällen daher erforderlich, den viskosen Wasserfluss durch die
Kunststoffschicht mit einer überwiegend Pseudobenetzung zwischen Zinkstaubpigment
und Bindemittel zu fördern.
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Als Ursache oder Mitursache für erhöhte Wasserdampfdurchlässigkeit
von Kunststoffschichten sind gemäss den Darlegungen in der schweizer.Patentschrift
Nr. 540 066, die bei bisherig üblichem Pulverauftrag auftretenden Adsorptionsschichten
anzusprechen. Um Pulverbeschichtungen zu erhalten, bei denen entsprechend den vorstehenden
Ausführungen die Wasserdampfdiffusion behindert bzw. gefördert ist, wurde in der
genannten schweizer.
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Patentschrift vorgeschlagen, die schädlichen inneren Grenzschichten
in der Pulverbeschichtung für eine behinderte Diffusion möglichst ganz und für eine
geförderte Diffusion nur zum Teil zu eliminieren. Hierzu sollten die Kunststoff-Pulverpartikel
während oder vor dem Aufbringen auf den Gegenstand mit einer zur Bildung von intermolekularen
Bindungen zwischen den Partikeln befähigten Oberflächenschicht versehen werden.
Diese zu intermolekularen Bindungen zwischen den Partikeln führende Oberflächenschicht
kann hierbei entweder durch Anschmelzen der Oberflächen der Kunststoff-Pulverpartikel
mittels Wärmeeinwirkung oder durch Aufbringen einer zusätzlichen, den Zusammenschluss
der Kunststoff-Pulver-Partikel auf dem Gegenstand bewirkenden Adsorptionsschicht
z.B.
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aus einem Lösungsmittel während des Fluges der Kunststoff-Partikel
neu erzeugt wird. Das oberflächliche Anschmelzen der Kunststoff-Pulverpartikel vor
ihrer Ablagerung auf dem Gegenstand, also gerade in dem Raum, in welchem die Pulverpartikel
elektrisch aufgeladen und in eine gleichmässige und klümpchenfreie Beschichtungen
gewährleistende Verteilung gebracht werden, bedeutet für
die Pulverwolke
eine u.U. erhebliche Veränderung ihrer Bildungsbedingungen, durch die es meist sehr
schwierig wird, den nun zwar behinderte Diffusion aufweisenden Pulverbeschichtungen
auch die gewünschte Gleichmässigkeit und Homogenität zu geben, zudem sind die Rekuperationen
solcher Pulver schwierig. Das Aufbringen einer Adsorptionsschicht auf die Kunststoff-Pulverpartikel
bedeutet, dass zusätzliche Grenzschichten eingeführt werden, welche die ursprünglichen
Adsorptionsschichten mindestens teilweise aufheben. Da die auf den Kunststoff-Pulverpartikeln
vorhandene Adsorptionsschicht jedoch nicht bekannt ist, kann streng genommen jeweils
erst an der fertigen Pulverbeschichtung festgestellt werden, ob die gewünschte Diffusionseigenschaft
erzielt wurde oder nicht. Dies trifft auch für Pigmente enthaltende Pulverbeschichtungen
zu, da man für diesen Fall zwar weiss (vgl. Zettlemoyer A.C., Micale F.J., Lui Y.K.:
Diskussionstagung der Deutschen Bundesgesellschaft, Franktfurt a/M 1966 Hoechst),dass
an den Pigmentpartikeln Lösungsmitteldämpfe chemisch und physikalisch adsorbiert
sind, die meist in ihrer Art im technischen Betrieb kaum abschätzbar sind. Das vorbekannte
Beschichtungsverfahren ist daher insofern nachteilig als es die Herstellung von
einwandfreien Pulverbeschichtungen mit gezielten Diffusionseigenschaften nur in
beschränktem Masse sicherstellen kann.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur
Herstellung von Pulverbeschichtungen zu finden, mit welchem Fertig-Pulverschichten
gewünschter Feinstruktur ohne Beeinträchtigung anderer Schichteigenschaften erhalten
werden, wobei vorausgesetzt ist, dass an den Beschichtungsmaterial-Partikeln Stoffe,
insbesondere solche von Lösungsmitteldämpfen, chemisch und physikalisch adsorbiert
sind.
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Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäss darin, dass durch
nur die physikalisch gebundene Adsorption beeinflussende physikalische Behandlung
des Beschichtungsmaterials die Adsorptionsschicht auf den Beschichtungsmaterial-Partikeln
bis zum Erreichen eines bestimmten Zustandes verändert und dieser
Zustand
der Adsorptionsschicht auf den Beschichtungsmaterial-Partikeln bis zu deren Abscheidung
auf der Unterlage aufrechterhalten wird. Dieses erfindungsgemässe Verfahren basiert
auf der Erkenntnis, dass die physikalisch adsorbierten Schichten Hauptursache für
eine starke Grenzschichtausbildung zwischen den Partikeln und/oder Partikelagglomeraten
sind und dass physikalisch gebundene Adsorptionsschichten verhältnismässig leicht
desorbiert werden können. Vorzugsweise wird Die Adsorptionsschicht des Beschichtungsmaterials
in einer Konditionierungszone auf den betreffenden Zustand gebracht, wobei das Beschichtungsmaterial
einer schonenden Behandlung unterworfen sein kann und zur Aufrechterhaltung dieses
Zustandes kann der Pulverwolkenraum konditioniert werden. Die Erzielung von bindenden
Grenzschichten zwischen den Partikeln und/oder Partikelagglomeraten für z.B.
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stark behinderte Diffusion, erfordert einen vollständigen Abbau vorhandener
physikalischer Adsorptionsschichten. Dieser Abbau vorhandener physikalischer Adsorptionsschichten
kann z.B durch eine Trocknungsbehandlung des Beschichtungsmaterials, vorzugsweise
durch Wärme oder im Vakumm durchgeführt werden. Stark trennende Grenzschichten zwischen
den Partikeln und/oder Partikelagglomeratren für z.B. geförderte Diffusion, erfordern
ausgeprägte physikalische Adsorptionsschichten auf den Beschichtungsmaterial-Partikeln,
die z.B. durch zusätzliches Aufbringen von Flüssigkeits-Adsorptionsschichten erhalten
werden können.
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Die Art der Flüssigkeits-Adsorptionsschichten ist von dem jeweils
verwendeten Beschichtungsmaterial und auch von dessen Verhalten bei der Fixierung
der Pulverschicht abhängig. Im allgemeinen wird die Adsorptionsschicht auf Wasser
bestehen können und in Spezialfällen können zur Herstellung derselben organische
Verbindungen wie höhere Alkohole, Aliphate, Aromate, chlorier te Kohlenwasserstoffe
verwendet werden, wobei zum Aufbringen der physikalischen Adsorptionsschichten das
Beschichtungsmaterial einfach einer entsprechend gesättigten Umgebungsatmosphäre
ausgesetzt werden kann. Werden genau definierte Grenzschichten in der
Pulverbeschichtung
verlangt, so empfiehlt es sich, von dem Beschichtungsmaterial zuerst in einem Desorptionsprozess
die ursprüngliche physikalische Adsorptionsschicht zu entfernen und dann die vorgesehene
Adsorptionsschicht aufzubringen. Die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens
kann ohne Schwierigkeiten dem jeweils vorgesehenen Beschichtungsverfahren, Wirbelbett,
Spritzpistole, Pulverwolke, Pulverschleier usw. angepasst werden.
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Nachfolgend wird das erfindungsgemässe Verfahren beispielsweise anhand
einer Beschichtungsanlage mit Spritzpistole näher erläutert. Die einzige Figur der
beiliegenden Zeichnung zeigt schematisch den Aufbau einer Beschichtungsanlage mit
Spritzpistole und Mitteln zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung.
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Beim elektrostatischen Pulverbeschichten mit einem Zerstäubungsgerät,
beispielsweise einer elektrostatischen Pulver-Spritzpistole, gelangt nicht alles
von der Spritzpistole zerstäubte Pulver auf den Gegenstand. Das abfallende Pulver
wird eingesammelt und nach einem Regenerationsprozess zur Wiederverwendung mit Frischpulver
gemischt. Diese in Beschichtungsanlagen automatische Pulverversorgung ist auf der
Zeichnung schematisch durch einen Vorrats- und Ronditionierbehälter 1 für regeneriertes
Pulver und einen Vorrats- und Konditionierbehälter 2 für Frischpulver sowie eine
Fördereinrichtung 3 veranschaulicht. Die Fördereinrichtung 3 liefert das Pulvergemisch
an einen Diffusor 4, in welchem es mit einem Treibgas, im allgemeinen konditionierte
Luft aus einer entsprechenden Treibgasquelle 5 gemischt wird. Die Spritzpistole
7 ist durch einen Versorgungsschlauch oder Versorgungsrohr 6 mit dem Ausgang des
Diffusors 4 verbunden. Das der Spritzpistole 7 zugeführte Luft-Pulver-Gemisch wird
z.B. mittels eines im aus der Pistole austretenden Pulverstrahl angeordneten Prallkörpers
8 zu einer Pulverwolke zerstäubt. Zur elektrischen Aufladung der Pulverpartikel
sind in und/oder an der Spritzpistole an Hochspannung liegende Sprühelektroden vorgesehen,
die auf der Zeichnung weggelassen sind, da die elektrische Aufladung der Pulverpartikel
die
vorliegende Erfindung nicht tangiert. Die Beschichtung des auf Gegenpotential liegenden
Gegenstandes 9 erfolgt in einem Sprühraum 10. Nach diesem Prinzip sind albüblichen
Pulver-Beschichtungsanlagen aufgebaut.
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Die fertigen Pulverbeschichtungen weisen, wie ein gangs dargelegt,
eine Feinstruktur auf, die durch den Grad der Ausbildung von Grenzschichten zwischen
Partikel und/oder Partikel agglomeraten der Pulverschicht bestimmt ist.
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Da bei der Herstellung einer Kunststoffbeschichtung die Ausbildung
der Feinstruktur durch Vielerlei beeinflusst wird, angefangen von der Art und Beschaffenheit
des Beschichtungsmaterials und dessen Vorbehandlung (z.B. frisches, abgelagertes,
wiederverwendetes Kunststoffpulver), dann dient das jeweilige Beschichtungsverfahren
und dessen Ablauf bis zur Schichtfixierung und den dabei auftretenden Wechselwirkungen
zwischen den Schichtpartikeln, epitaktischen Auswirkungen der Unterlagenoderfläche,
usw., und zudem die Feinstruktur der fertigen Beschichtung durch äussere Einwirkungen
leicht verändert werden kann, so dass ein Ablösen des Kunststoffilms von der Unterlage
ohne Strukturänderung nicht möglich ist, konnte die Schutzwirkung einer Schicht
einigermassen sicher nur in Langzeitversuchen am Objekt selbst ermittelt werden,
und zwar mit der jeweils nur wenig ergiebigen Feststellung, dass die Schicht den
Versuchsbedingungen noch oder nicht mehr standgehalten hat.
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Vergleichende Langzeitversuche zwischen durch Pulver und Flüssiglack
hergestellten Schutzschichten ergaben, dass die Pulverbeschichtungen eine höhere
Permeabilität für Wasserdampf und damit eine geringere Klimafestigkeit aufwiesen
als die Lackschichten, sofern bei dem Pulver nicht zu hohen Beschichtungsdicken
gegriffen wird.
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Untersuchungen solcher Schichten mit der kürzlich geschaffenen und
in der Fachliteratur (K.M.Oesterle, K.Brugger, W.Landolt: FATIPEC-Buch 1968, Abschnitt
"Plénières", pg.61; W.Fisch, K.M. Oesterle: FATIPEC-Kongressbuch 1970, pg.339) veröffentlichen
Methode
der Bestimmung des Infinitesimalen Härte-Verhaltens, kurz "IHV-Methode", die es
ermöglicht, auch für dünnste Kunstoffbeschichtungen auf Unterlagen, den E-Modul,
die Härte, innere Spannung usw. zu bestimmten und damit feinste innere Strukturunterschiede
der Schicht zu erfassen, ohne diese von der Unterlage ablösen zu müssen, erbrachten
das überraschende Ergebnis, dass die höhere Premeabilität für Wasserdampf schon
in Kurzzeitversuchen am Abfallen der IHV-Messwerte erkannt werden kann. Die IHV-Methode,
auf Kunststoff-Schutzschichten angewandt, ermöglicht daher Aussagen über die Diffusion
molekular verteilter Stoffe in und durch die Schicht und damit eine leicht in verhältnismässig
kurzer Zeit von Stunden, allenfalls wenigen Tagen, zu erstellende Prognose über
die spätere Schutzwirkung der Schicht.
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An den Partikeln des Beschichtungsmaterials, Kunststoff mit oder
ohne Pigmentzusatz, sind nun Fremdstoffe chemisch oder physikalisch adsorbiert.
Die Adsorptionsschichten entstehen bei der Herstellung des pulverförmigen Beschichtungsmaterials,
bei dessen Lagerung und weiteren Behandlung. Die an die Partikeloberfläche chemisch,
z.B. durch freie Valenzen, gebundenen Stoffe haften auf den Partikeln wesentlich
stärker als die physikalisch,z.B. durch Adsorption, gebundene Stoffe. Entsprechend
können physikalisch gebundene Stoffe durch eine verhältnismässig leichte physikalische
Behandlung des Beschichtungsmaterials von den Partikeln abgetrennt werden, während
die Abtrennung der chemisch gebundenen Stoffe mit der gleichen Behandlungsart nicht
oder erst bei einer wesentlich stärkeren Einwirkung erzielt werden kann. Wie vorstehend
erwähnt, wurde unter diesen Aspekten die Wasserdampfdiffusion durch Pulverbeschichtungen
mit Hilfe der IHV-Methode systematisch untersucht. Mit dieser IHV-Methode kann nun
eindeutig nachgewiesen werden, dass die physikalischen Adsorptionsschichten hauptsächlich
für die zu unerwünschten Diffusionserscheinungen führende Grenzschichtausbildung
zwischen den Schichtpartikeln verantwortlich ist. Gewisse
Eigenschaften,
die von der jeweiligen Grenzschichtausbildung zwischen den Partikeln und/oder Partikelagglomeraten
der fertigen, d.h. der auf der Unterlage fixierten, eingebrannten Pulverschicht
abhängen, sind demnach durch die auf den Pulverpartikeln unmittelbar vor deren Ablagerung
auf der Unterlage vorhandene physikalische Adsorptionsschicht bestimmt. Die Aufgabe,
eine Pulverbeschichtung mit bestimmten solchen Eigenschaften herzustellen, wird
somit unmittelbar durch die Herstellung entsprechender physikalischer Adsorptionsschichten
auf den Beschichtungsmaterial-Partikeln gelöst.
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Zur Herstellung der physikalischen Adsorptionsschichten ist in der
auf der Zeichnung schematisch wiedergegebenen Beschichtungsanlage zwischen die das
pulverförmige Beschichtungsmaterial zum Diffusor 4 fördernde Fördereinrichtung 3
ein Konditionator 11 irgendeiner zweckdienlichen Ausführung, z.B. ein Schaufeltrockner,
geschaltet, in welchem das Beschichtungsmaterial vor dem Einlaufen in den Diffusor
4 konditioniert wird. Mit dem Trocknungsprozess werden von den Beschichtungsmaterial-Partikeln
die physikalisch gebundenen Flüssigkeits-Adsorptionsschichten entfernt. Der Konditionator
11 ist für eine schonende Behandlung des Beschichtungsmaterials eingestellt, so
dass vor allem das Material oberflächlich nicht angeschmolzen wird und keine Klümpchen
entstehen. Das Treibgas aus der Treibgasquelle 5 wird dem Diffusor 4 über eine Konditionierungseinrichtung
12 zugeleitet. In der Konditionierungseinrichtung 12 wird das Treibgas so vorbereitet,
dass es auf den keine physikalische Adsorptionsschicht aufweisenden Beschichtungsmaterial-Partikeln
bei deren Vermischung mit dem Treibgas im Diffusor 4 die gewünschte physikalische
Adsorptionsschicht erzeugt. Der Adsorptionsstoff selbst wird entsprechend den adsorbierenden
Eigenschaften des jeweiligen Beschichtungsmaterials gewählt und ist im allgemeinen
Wasser oder in speziellen Fällen ein höherer Alkohol, ein Aliphat, Aromat, chlorierter
Kohlenwasserstoff, Amine oder dgl. Demensprechend ist in der Konditionierungseinrichtung
12 eine Heizvorrichtung 13,
eine Heizvorrichtung 13, ein Verdamper
14 zum Verdampfen der jeweiligen Flüssigkeit und zweckmässig eine Regelvorrichtung
15 vorgesehen. Die von der Spritzpistole emittierten Beschichtungsmaterial-Partikel
weisen dann neben einer unbekannten chemischen Adsorptionsschicht je nach den Konditionierungsbedingungen
eine bestimmte physikalische Adsorptionsschicht oder auch nur eine chemische Adsorptionsschicht
auf. Um diesen Oberflächenzustand der Beschichtungsmaterial-Partikel auf ihrem Fluge
von der Spritzpistole 7 zum Gegenstand 9 aufrechtzuerhalten, sind in dem Sprühraum
10 Vernebelungsdüsen 16 und Wärmestrahler 17 angeordnet, durch die die Umgebungsatmosphäre
der Beschichtungsmaterial-Partikel konditioniert wird.
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Statt den ganzen Sprühraum 10 zu konditionieren, ist es manchmal
auch vorteilhaft nur einem verhältnismässig kleinen, die Spritzpistole 7 enthaltenden
Raum zu konditionieren.
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Im allgemeinen sind die Beschichtungsmaterialien, der Auftragungsprozess
(Treibgasdruck, Auftraggeschwindigkeit, usw.), und die Fixierungsbedingungen vorgegeben
und für die Pulverbeschichtung wird eine bestimmte Eigenschaft verlangt, z.B.
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stark behinderte Diffusion für Wasserdampf, ein Gas oder eine andere
Flüssigkeit, oder auch, wie erwähnt, eine geförderte Diffusion von Wasser. In Vorversuchen,
die schnell und leicht mit Hilfe der IHV-Methode durchgeführt werden können, werden
dann die jeweils günstigsten Konditionierungsbedingungen festgesetzt.
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Soll die Pulverbeschichtung nur eine stark behinderte Diffusion für
Wasserdampf aufweisen, so genügt es, das Beschichtungsmaterial in dem Konditionator
11 durch Wärme und/oder im Vakuum zu trocknen, d.h. den Partikeln die anhaftende
Wasserhaut zu entziehen, das Treibgas in der Konditionierungseinrichtung 12 zu trocknen
und zu erwärmen und in dem Sprühraum 10 eine untersättigte Umgebungsatmosphäre aufrechtzuerhalten.
Soll die Pulverbeschichtung eine stark geförderte Wasserdiffusion aufweisen, so
wird das Treibgas in der Konditionierungseinrichtung mit dem Adsorptionsstoff gesättigt
und der Sprühraum unterkühlt.
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Pulverschichten, für die die Ausbildung von Grenzschichten zwischen
Partikeln und/oder Partikelagglomeraten von einem mittleren Grad ist, können bei
Trennverfahren von hoher praktischer Bedeutung sein, und sind mit dem erfindungsgemässen
Verfahren ohne Schwierigkeiten erzielbar, da für die vorstehend beschriebene Beschichtungsanlage
dann nur Regelvorrichtungen für die entsprechende Konditionierung des Treibgases
und der Umgebungsatmosphäre im Sprühraum erforderlich sind.