IT9020970A1 - Procedimento per il rivestimento di materiali termosensibili con vernice in polvere - Google Patents

Description

"PROCEDIMENTO PER IL RIVESTIMENTO DI MATERIALI TERMOSENSIBILI CON VERNICE IN POLVERE"

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un procedimento mediante il quale è possibile rivestire materiali termosensibili con vernici in polvere. Nel contesto di questa relazione con il termine "materiali termosensibili" si intendono materiali che subiscono modificazioni fisiche e/o chimiche quando trattati alle temperature e con i tempi attualmente utilizzati nei processi di filmazione ed eventuale reticolazione delle vernici in polvere, mentre "materiali termoresistenti" sono quelli che non subiscono tali modificazioni.

Le vernici in polvere stanno assumendo una importanza sempre maggiore per il rivestimento di oggetti metallici o termoresistenti di qualsiasi genere, dato che esse hanno eliminato numerosi problemi di inquinamento ambientale e di pericolo per la salute dei lavoratori addetti alla verniciatura, oltre a realizzare rivestimenti con caratteristiche eccellenti.

Le vernici in polvere, dopo essere state applicate sugli oggetti mediante vari sistemi, ed oggi principalmente per via elettrostatica, devono tuttavia essere sottoposte a fusione, filmazione ed eventuale reticolazione per far presa definitiva sugli oggetti, e ciò avviene generalmente in forni di varia struttura a seconda degli oggetti da rivestire, ed a temperature sempre piuttosto elevate, rese necessarie dalle temperature di fusione dei componenti della vernice mantenendo queste temperature per tempi determinati continui.

Si è pertanto fino ad oggi ritenuto impossibile rivestire con vernice in polvere materiali termosensìbili, quali materie plastiche, legno, carte e cartoni, pelli, tessili e così via, perchè tali materiali non potrebbero assolutamente resistere per tempi continui alle temperature necessarie per il trattamento della vernice in polvere. D'altra parte sarebbe altamente desiderabile poter rivestire con vernice in polvere anche tali materiali, per eliminare anche in questi settari industriali i pericoli ed i rischi sopra menzionati, dovuti all'uso che oggi viene necessariamente fatta di vernici a solventi per rivestire i suddetti materiali termosensibili.

Le strutture ed i procedimenti finora realizzati per il trattamento di oggetti rivestiti con vernici in polvere non consentono comunque di poter estendere il trattamento a materiali termosensibili che verrebbero irrimediabilmente danneggiati. Tutte le strutture ed i procedimenti esistenti sano adatti solo per oggetti metallici a termoresistenti. In particolare esistono dei trattamenti mediante radiazioni infrarosse, ma le temperature ed i tempi di trattamento sono proibitivi per materiali termosensibili. E’ noto dal brevetto tedesco DE-34 06 789 CI (Berkmann) un procedimento per filmare e reticolare con radiazione infrarossa oggetti rivestiti con vernice in polvere, in cui è prevista una zona intermedia neutra tra due zone di riscaldamento che consente un certo raffreddamento degli oggetti durante il trattamento, ma anche qui le temperature ed i tempi di trattamento nelle due zone sono tali da escludere qualsiasi impiego per materiali termosensibili.

In particolare secondo i dati della descrizione dell'invenzione la temperatura dell'oggetto viene abbassata sola leggermente, affinché nell'oggetto si passano compensare le differenze di temperatura tra spessori di diversa entità. Nei complesso, tuttavia, anche in questo caso la temperatura dell'oggetto rimane eccessiva. Inoltre l'intero oggetto viene riscaldato mediante circolazione d'aria, cosa da evitare in presenza di materiale termosensibile.

In W. Bruegel, Physik und Technik der Ultrarotstrahlung, Capitolo Γ. Lackhaertung (pag. 383-395), Curt Vincentz Verlag, Hannover 1961, si propone (pag. 394) di sottoporre ad un "indurimento urto" vernici su legno, applicando per breve tempo un forte irraggiamento, senza prima riscaldare la base (di legno). Non viene peri) spiegato come si deve eseguire un tale trattamento. Con le vernici a base di solvente contrariamente a quanto succede con le vernici in polvere, si presentano difficilmente problemi di distensione.

In "Pulver Lack", N°2, 1979, pag. 110 e seguenti, in particolare pag. 112, si propone di suddividere l'indurimento di vernici in polvere in una "fase di distensione" e in una vera e propria "fase di reticolazione". Dapprima, tuttavia, si mantiene una bassa temperatura e poi si aumenta subito la temperatura di indurimento, il che nella pratica non fornisce una buona distensione ed espone il materiale a temperature elevate per un periodo piuttosto lungo.

La presente invenzione risolve per la prima volta questo sentito problema e consente finalmente di poter rivestire anche materiali termosensibili con vernice in polvere, superando quella soglia di impedimento imposta dalla temperatura di trattamento della vernice in polvere, che sembrava finora assolutamente non valicabile.

Il procedimento secondo la presente invenzione consiste essenzialmente nel trattare a corti intervalli alternati il substrato (cioè l'oggetto) e la vernice su di esso applicata, con brevi tempi di intervento ad alta temperatura mediante radiazione, come ad esempio onde medie o corte nel campo dell'infrarosso e con tempi di raffreddamento o zone passive di interruzione del trattamento interposti tra successivi tempi di intervento, i vari parametri del procedimento essendo variabili e regolabili in modo ottimale in funzione dei materiali in gioco, in modo tale che risulti un perfetto strato di vernice, senza danneggiare e/α peggiorare le proprietà del materiale verniciato.

In questo modo il calore necessario per la fusione, filmazione ed eventuale reticolazione dello strato di vernice non ha il tempo di attaccare dannosamente il materiale termosensibile del substrato, in quanto il calore viene dissipato durante gli intervalli di raffreddamento. E' pertanto importante che la velocità di riscaldamento sia elevata, il che si ottiene con una elevata potenza di irraggiamento.

Preferibilmente lo strato di vernice viene riscaldato rapidamente ad una temperatura alla quale non si verifica ancora un danneggiamento termico, viene poi raffreddato ad una temperatura adatta per la reticolazione della vernice e si mantiene questa temperatura fino a reticolazione conclusa.

Il prima ciclo di riscaldamento viene preferibilmente interrotto subito quando é terminata la distensione della vernice.

Il raffreddamento viene preferibilmente effettuato ogni volta a temperature inferiori a 100° C.

Si usano potenze di irraggiamento IR di almeno 40 kW/m . I parametri del procedimento, come il tempo di riscaldamento, la massima temperatura ammessa, il raffreddamento e cosi via, devono essere ogni volta adeguati al substrato ed alla vernice in polvere e determinati mediante prove preliminari.

Questa azione fisica di alternanza di corti tempi di trattamento e di raffreddamento può essere favorita combinandola con Tincorporamento di aggiunte nella composizione di vernice in polvere, che in un certo qual modo potrebbero fungere da zone tampone nei confronti dell azione del calore.

Si potrebbe anche prevedere di applicare uno strato intermedio protettivo di materiali atti a proteggere il substrato dal calore e che siano contemporaneamente compatibili sia con il substrato che con la vernice, onde garantire e conservare la perfetta aderenza dello strato di vernice al substrato.

Inoltre mediante l'impiego di adatti additivi, si potrebbe anche pensare, per esempio nel caso delle materie sintetiche termoplastiche o termoindurenti, di produrre materiali compositi per il substrato, che potrebbero accrescere la resistenza istantanea al calore.

Queste sostanze additive potrebbero essere sia organiche che inorganiche e potrebbero per esempio comprendere noti composti termoìsolanti quali ossidi di ferro, ossidi di silicio, fibre di titanio e cosi via.

Per la realizzazione del procedimento secondo la presente invenzione si potranno realizzare apparecchiature in varie maniere e forme, purché rispondenti allo scopo di realizzare l'alternanza di tempi di irraggiamento e di raffreddamento dell'oggetto da trattare. E' soprattutto importante che il riscaldamento sia rapido, il che si ottiene con elevata potenza di irraggiamento.

Così ad esempio una apparecchiatura potrebbe prevedere una alternanza di zone di trattamento e di irraggiamento ottenute disponendo gli oggetti su un supporto mobile quale un nastro trasportatore, che passa sotto una serie di strette fessure intervallate, dalle quali la radiazione infrarossa viene diretta sugli oggetti, che attraversano quindi in rapida successione zone attive di trattamento e zone passive di raffreddamento. In questo modo si realizzerebbe un trattamento degli aggetti a ciclo continuo. E' importante solo che la potenza di irraggiamento sia sufficientemente elevata; il tempo di riscaldamento verrà allora determinato semplicemente dalla lunghezza del raggio d'azione delle lampade e dalla velocità del nastro. Il raffreddamento avviene in una zona libera da lampade ed eventualmente può essere favorito per esempio mediante aria fredda.

Un'altra forma di apparecchiatura potrebbe invece prevedere una camera nella quale le sorgenti di radiazione infrarossa sono poste dietro schermi mobili che alternativamente scoprono e coprono le sorgenti, in modo tale che gli oggetti vengono trattati quando le sorgenti vengono scoperte, e si raffreddano quando le sorgenti vengono coperte dagli schermi che potrebbero per esempio assumere la forma di lamelle rotanti od oscillanti a guisa di tende alia veneziana.

Altri sistemi potrebbero prevedere l'accensione e lo spegnimento a brevi intervalli delle sorgenti di irraggiamento, per esempio mediante un comando a ritardo di fase, mentre la potenza potrebbe essere regolata per esempio con una inserzione a tiristori.

Gli scopi, le caratteristiche ed i vantaggi del procedimento appariranno ancor più chiari ed evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di alcuni esempi applicativi specifici, in cui verranno forniti anche alcuni valori pratici di alcuni parametri che devono essere tenuti in considerazione nell'attuazione del procedimento.

Sono stati condotti esperimenti di applicazione del procedimento su vari substrati quali materie sintetiche, legno e cuoio, dopo aver scelto le vernici in polvere più adatte per un tale trattamento.

Per quanto riguarda la radiazione infrarossa, si è determinato che i migliori risultati sono ottenibili con radiazioni infrarosse di corta lunghezza d'onda, nella gamma compresa tra circa 0,76 e 2,0 /jm, che permettono il più rapido riscaldamento e successivo raffreddamento dei materiali trattati, nonché la massima rapidità di regolazione delle sorgenti di calore, per cui si possono con facilità realizzare cicli di temperatura e tempo a seconda delle necessità dettate dai vari tipi di substrati e di vernici in polvere.

Negli esperimenti si è utilizzata una apparecchiatura comprendente vari radiatori ad infrarosso, ciascuno regolabile indipendentemente con circuito elettronico di controllo e di regolazione del ritardo di fase della tensione sinusoidale di alimentazione e con misurazione delle temperature effettuata con un pirometro a radiazione per quanto riguarda la temperatura superficiale della vernice e con termoelementi disposti a varie profondità entro il substrato per misurare l'andamento della temperatura in funzione del suo spessore.

Mediante prove preliminari su lastre di lamiera di acciaio prese come riferimento si è determinato che la distensione ottimale di una vernice in polvere viene ottenuta se si riscalda molto rapidamente alla massima temperatura alla quale non si verifica ancora un danneggiamento termico del rivestimento di vernice, e naturalmente anche del substrato, poi si raffredda immediatamente e successivamente si indurisce o reticola il rivestimento di vernice.

Il mantenimento della temperatura massima non é consigliabile, in quanto non comporta ulteriori evidenti miglioramenti delia distensione, mentre subentra già un danneggiamento della superficie verniciata.

Essenziale comunque per la distensione della vernice in polvere è la sua composizione granulometrica, la viscosità allo stato fuso nonché la velocità di riscaldamento che come si è detto è ottimale quando la radiazione infrarossa rientri nella gamma da 0,76 a 2,0 μm e particolarmente intorno a 1,2 μm.

Si è cosi avuta la conferma sperimentale che se si tenta di filmare la vernice in polvere su substrati di materiali termosensibili con un unico ciclo di riscaldamento, si verificano inevitabilmente danneggiamenti del substrato e difetti nello strato di rivestimento di vernice, mentre la differenza di temperatura tra il rivestimento superficiale di vernice ed il substrato è troppo piccola affinchè il substrato stesso risulti protetto dagli effetti della temperatura necessaria per il trattamento della vernice in polvere.

In contrasto a ciò, si è avuta anche la conferma della fattibilità e degli eccellenti risultati ottenibili con il procedimento della presente invenzione. Infatti sottoponendo i materiali a due o più cicli più brevi di riscaldamento con raffreddamento intermedio, si ottengono forti differenze di temperatura tra la superficie del rivestimento dì vernice ed il substrato, che può cosi sopportare molto meglio il trattamento termico.

Per quanto riguarda alcuni tipi di legno, sussistono alcuni problemi dovuti allemissione di acqua o resina dai pori del legno soprattutto nel caso di legnami giovani e di pasta morbida, ma il procedimento risulta comunque fattibile particolarmente sottoponendo il materiale a diversi cicli brevi di trattamento.

Si sono per il momento concentrati gli esperimenti sulle lastre SMC (Sheet-Moulding-Compound), realizzate mediante stampaggio di resine poliesteri insature e strati di fibra di vetro ed utilizzate particolarmente per produrre parti componenti di carrozzerie di veicoli, usando una vernice termoindurente a base di resine epossi-poli estere".

Gli esperimenti sono stati effettuati con lastre di SMC dello spessore di 4 mm nelle quali sono stati praticati fori di varia profondità, partendo dal lato inferiore della lastra, vale a dire dal lato opposto a quello sul quale viene applicato il rivestimento di vernice in polvere. In questi fori vengono incollati termoelementi Ni-CrNi. Mediante questo incollaggio si può fissare esattamente il punto di misurazione nel materiale ed inoltre si ha un buon trasferimento di calore tra materiale della lastra e punto di misurazione della temperatura.

Le Figure dei disegni annessi mostrano le particolarità più importanti dell'esperimento, e precisamente:

la Figura 1 mostra schematicamente la posizione del radiatore IR o del pirometro a radiazione SP rispetto alla lastra SMC;

la Figura 2 mostra shematicamente la posizione dei cinque termoelementi TEI, TE2, TE3, TE4 e TE5 sulla lastra SMC; e

la Figura 3 è un grafico che mostra l'andamento della temperatura nella lastra SMC durante il trattamento della vernice in polvere con radiazione infrarossa secondo il procedimento della presente invenzione.

La preparazione cosi effettuata della lastra SMC permette pertanto di registrare la temperatura alla superficie superiore con il pirometro a radiazione SP, nella lastra SMC alla profondità di 0,1 mm (sotto la superficie superiore) con il termoelemento TEI ad 1 mm con TE2, a 2 mm con TE3, a 3 mm con TE4 ed alla superficie inferiore della lastra (4 mm) con TE5.

Il pirometro SP ed i termoelementi TE vengono tarati e possono essere registrati direttamente. L'errore di misurazione è di 1,5DC.

Tutti gli esperimenti vengono effettuati con rivestimenti di vernice appena applicati, per cui vi sono uguali rapporti di assorbimento e le influenze di cicli endotermici od esotermici sono costanti.

Il ciclo ripetuto di trattamento viene eseguito come segue: riscaldamento fino a 240°C (dello strato di rivestimento di vernice) entro 3 minuti, mantenimento della temperatura a 240°C per un minuto, raffreddamento per 10 minuti a 65aC, riscaldamento a 240°C, mantenimento a 240°C per 1 minuto, raffreddamento.

La potenza di irraggiamento é di 50 kW/m e la distanza tra radiatore e lastra é di 120 mm.

Come dimostra chiaramente il grafico della Figura 3, al raggiungimento della temperatura di 240°C, le temperature dei termoelementi registrano i seguenti valori: TEI = 200°C, TE 2 = 192°C; TE3= 185°C; TE4 = 180°C; TE 5 = 176°C.

Si può così vedere che la temperatura nell'interno della lastra è sempre inferiore a quella dello strato di vernice, che la massima differenza di temperatura (40°C) si verifica proprio nello strato limite tra rivestimento di vernice e lastra, mentre la differenza tra lato superiore ed inferiore della lastra è di circa 20°C, ed inoltre che ai secondo ciclo di riscaldamento, anche se il raffreddamento non raggiunge la temperatura ambiente, la temperatura non sale al di sopra di quella registrata durante il primo ciclo. Si può così verificare che conoscendo la resistenza al calore del materiale del substrato si può scegliere la temperatura massima di trattamento ed il numero di cicli di riscaldamento necessari o possibili. Il tempo di mantenimento alla temperatura massima è decisivo per la fattibilità del procedimento e non deve in generale superare 1 minuto. Si è infatti constatato che con 2 minuti di irraggiamento nessun materiale termosensibile riesce a superare indenne la prova e si verifica distacca del rivestimento di vernice, emissione di gas ed altri difetti. Inoltre si deve ovviamente scegliere un tipo di vernice in polvere compatibile con il substrato ove evitare formazione di bolle, opacità ed altri difetti.

Suddividendo il trattamento in più di due cicli, ciascuno di durata inferiore, si può arrivare ad una differenza di temperatura tra rivestimento di vernice (SP) e strato limite del substrato (TEI) anche notevolmente maggiore con notevole aumento delle possibilità di impiego del procedimento anche ad altri materiali.

Si sono quindi effettuati ulteriori esperimenti per ricercare un ciclo di trattamento il più possibile favorevole per l'ottenimento di un risultato ottimale.

Lo strato di vernice in polvere viene dapprima riscaldato con una elevata potenza di irraggiamento il più rapidamente possibile ed una temperatura elevata, mantenuto a questa temperatura per un tempo brevissimo per ridurre il carico termico. In questa prima fase cosiddetta "fisica" lo strato di vernice non deve reticolare, ma solo fondere e perciò raggiungere in breve tempo una viscosità dinamica molto bassa che provoca una migliore distensione della pellicola di vernice rispetto al procedimento convenzionale di riscaldamento lento alla tempe--ratura di reticolazione. Soltanto nella successiva fase cosiddetta "chimica", effettuata ad una temperatura sensibilmente inferiore, avviene la reticolazione completa della pellicola di vernice in polvere, ove questa temperatura corrisponde almeno a quella di reticolazione della vernice.

Le prave vengono effettuate con una vernice in polvere ad indurimento molto rapido, su lamiera di acciaio sgrassata, con uno spessore di strato di vernice di 60 - 10 μm di pellicola indurita ed un riscaldamento alle temperature TA il più rapido possibile.

Questi parametri si deducono dalla tabella qui appresso riportata

Le misurazioni effettuate sui campioni sono state le seguenti:

-spessore di strato (processo magnetoinduttivo - norma DIN 50981)

- prova per caduta di sfera (tipo Erichsen 304 - altezza di caduta 50 cm nessun danneggiamento)

- resistenza all'acetone (nessun scioglimento dello strato di vernice indurito) - brillantezza (60° - valore al riflettometro secondo le norme DIN 67530, A5TM D 523)

- distensione secondo scala arbitraria (punteggio da 1 = a specchio a 4 = carente) - scostamento cromatico ΕA N (secondo la norma DIN 6174)

ed i risultati sono riportati nella seguente tabella,

Dai risultati della tabella risulta chiaramente che mediante la suddivisione del procedimento in una prima fase "fisica" ed in una successiva fase "chimica" si ottiene una distensione della pellicola di vernice notevolmente migliare rispetto ai processi convenzionali.

Grazie alla breve durata della fase "fisica" il carico termico dello strato di vernice e pertanto il pericolo di alterazione cromatica vengono notevolmente ridotti.

Si può prevedere un ulteriore miglioramento della distensione della vernice ed un ulteriore diminuzione della alterazione cromatica ottimizzando ancora i parametri del procedimento, ed in particolare la velocità di riscaldamento, il valore della temperatura massima TA , il tempo di permanenza a TA, la velocità di raffreddamento a TS ed il valore della temperatura TS D Anche qui si può prevedere di suddividere la fase "chimica" in più intervalli di durata limitata per ottenere risultati migliori ed evitare eventuali danneggiamenti termici dovuti ad una esposizione troppo prolungata alla temperatura TS.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per il rivestimento di materiali termosensibili e non, con verniciin polvere,consistente nelriscaldare mediante radiazione ilrivestimento di vernice applicato sul substrato ad una temperatura almeno atta a provocare la filmazione e la eventuale reticolazione della vernice, mantenere eventualmente tale temperatura per un breve tempo predeterminato,eseguire un raffreddamento ad una temperatura più bassa ed eventualmente ripetere ilciclo suddetto una o più volte.
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1,caratterizzato dalfatto che la temperatura diriscaldamento dei cicli successivi al primo è uguale o inferiore a quella del primo ciclo, ma di un valore tale da consentire ilproseguimento della filmazione ed eventuale reticolazione della vernice.
3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o 2 caratterizzato dalfatto che lo strato di vernice viene riscaldato rapidamente ad una temperatura, alla quale non si verifica ancora un danneggiamento termico; dal fatto che poi viene raffreddato ad una temperatura adatta per la reticolazione della vernice e dal fatto che simantiene questa temperatura fino a reticolazione conclusa.
4. 4.Procedimento secondo una o più delle rivendicazioni1,2 e 3,caratterizzato dalfatto che neiprimo ciclo ilriscaldamento viene interrotto subito quando é terminata la distensione della vernice.
5. 5.Procedimento secondo una o più delle rivendicazioniprecedenti,caratterizzato dal fatto che ogni volta si raffredda a temperature inferiori a 100°C.
6. 6. Procedimento secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che vengono usate potenze di irraggiamento IR almeno di 40
7. 7. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la radiazione infrarossa è compresa nella gamma da 0,76 a 2,0 um e preferibilmente è di circa 1,2 um.
8. 8. Procedimento per il rivestimento di materiali termosensibili con vernici in polvere, sostanzialmente come in precedenza descritto, con particolare riferimento agli esempi applicativi illustrati e per gli scopi sopra specificati.