СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ РАСПЫЛЕНИЕМ
SPRAY COATING METHOD

Предметом изобретения является способ нанесения покрытия распылением на поверхности субстратов, позволяющий наносить различные поддающиеся термопластичной обработке вещества на самые разные поверхности посредством технологии распыления.
Для производства тонкостенных, плоских конструкционных элементов или, например, изоляций на текстиле, известны самые различные способы. Эти способы различаются, в зависимости от применения, по качеству формы, материалу, распределению толщины по субстрату (конструкционному элементу) и собственно технологии.
Известны способы глубокой вытяжки, вакуумной глубокой вытяжки и прессования для переработки пленок для формованных деталей или отдельных слоев.
При производстве данными способами плоских конструкционных элементов местное распределение массы определяется деформацией пленки и не может быть задано определенным образом. По этой причине, например, полученные таким образом изоляции тяжелее, чем это необходимо с точки зрения акустики и функциональности. Это препятствует, особенно в транспортных средствах, достижению облегченных конструкций.
Для герметизации материалов пленки наносят на самые разные субстраты наклеиванием или наплавлением.
Для частичной звукоизоляции по соображениям акустики так называемые пленки из плотных слоев накладывают на зоны ковриков или передней панели, где они приклеиваются или вплавляются.
Известны другие способы изготовления тонких, плоских конструкционных элементов для автотранспортных средств, таких как конструкционные элементы с плотными слоями для звукоизоляционных конструкционных элементов, в том числе, передние панели, которые изготавливают литьевым формованием термопластичных и термореактивных материалов.
Литьевое формование (литьевое формование термопластов, или литьевое формование реактопластов (Reaction Injection Moulding, RIM)) позволяет изготовлять конструкционные элементы с различными, определенными весами поверхности. Большие инвестиции в установки, а также и в инструменты ограничивают использование данных способов в массовом производстве.
Для RIM-способа дополнительно имеется проблема в том, что применяемый материал, например полиуретан, дорог и не может быть повторно использован. Именно для изолирующих конструкционных элементов в транспортных средствах распределение массы определено геометрией пресс-формы для всех деталей кузова. Это также препятствует целенаправленной акустической оптимизации отдельных типов транспортных средств (вариантов двигателей) в рамках серии, которая была бы наиболее желательной с точки зрения акустики.
Далее, известны способы изготовления подобных плоских конструкционных элементов посредством спекания порошка. Порошок наносят на теплый формовочный инструмент, где он путем спекания образует слой пластмассы, затем охлаждают и конструкционный элемент вынимают. Данная технология требует большого количества времени, инструментов и энергии. Поэтому данный способ ограничивается только производством дорогостоящих конструкционных элементов, таких как «жидкая кожа».
Известны способы нанесения покрытий, а также изготовление плоских конструкционных элементов путем распыления. Распыление термопластичных пластмасс происходит или из расплава при помощи одной или нескольких форсунок, или через «холодный» порошок пластмассы путем разогрева над пламенем в фазе полета и газом-носителем или непосредственно горячей средой в фазе полета. Однако эти способы имеют очень низкую производительность и лишь условно пригодны для нанесения покрытия на термостойкие субстраты. При нанесении покрытия на текстиль высокие температуры разрушали бы текстильный материал еще до того, как на него было что-то нанесено.
Способ распыления также находит применение при регенерации порошка. В публикации DE 10 2005 050 890 A1 описывается способ и устройство для получения нано-композита, при котором отделение экстрагирующего и, соответственно, диспергирующего агента от полимерного расплава осуществляют способом распыления под давлением. При этом капельки полимера мгновенно затвердевают вследствие сильного охлаждения, которое имеет место при снижении давления с высокого уровня до давления окружающей среды. При этом образуются нано-композиты.
В качестве плотного слоя для распыления используют смачиваемые системы на PUR-основе. Подробности этого встречаются в публикациях DE 101 61 600 A1 и DE 10 2005 058 292 A1. Эти материалы очень дорогостоящие и не подлежат повторному использованию.
Далее, известны способы и устройства, в которых пластмассовый жгут накладывают на поверхность субстрата – в большинстве случаев предварительно обработанную. В публикации EP 0 524 092 B2 описывается способ и устройство для изготовления изделия с помощью формованного профилированного жгута. Профилированный жгут производят посредством экструзионной головки, которая соединена с экструдером обогреваемым гибким нагнетательным шлангом, и далее выкладывают.
Публикация DE 30 47 727 C2 описывает способ получения тонких защитных пленок путем распыления разжиженного термопластичного материала. Описанный в ней способ должен позволить использовать обычные приборы горячего впрыска, в распылителе материал плавится и тем самым разжижается, и его затем можно наносить непосредственно на защищаемую поверхность. Далее описывается, что стремление этих материалов образовывать шарики после попадания на поверхность до сих пор препятствовало образованию достаточно гомогенной пленки, однако, согласно данному описанию, предполагается, что данная проблема может быть устранена наиболее простым образом путем одновременного или последующего процесса спекания. Для спекания термопластичного материала оказалось, соответственно, предпочтительным, если спекание проводится путем разогрева напыленного термопластичного материала, чтобы таким образом получить равномерное, гладкое и непористое нанесение. Необходимое для спекания тепло можно подвести к термопластичному материалу извне посредством теплового излучения, подвода теплого воздуха или подобным образом. Целесообразным может быть распыление термопластичного материала на предварительно разогретую поверхность, чтобы процесс спекания происходил одновременно с распылением, и тем самым достигалось оптимальное по времени проведение способа. Однако проведенный после попадания материала на поверхность процесс спекания очень затратный и снова подвергает материал субстрата термической нагрузке.
Публикация DT 16 46 051 B2 описывает способ нанесения полимерных сплошных покрытий на твердые поверхности путем напыления расплавленного термопластичного полимеризата. Затем проводят плавление полимеризата и подвод расплава в потоке сжатого газа по способу впрыска под давлением, и распыляемая струя газ/полимеризат на своем пути к покрываемой поверхности подвергается обработке теплоизлучением. Описывается, что термопластичный полимеризат желаемого размера гранул в экструдерах или устройствах с поршневыми цилиндрами следует перевести в расплавленное состояние и сжатым газом с помощью напылительной форсунки сжатого воздуха напылить в форме нагретой потоком теплоизлучения струи газ/полимеризат на покрываемую поверхность, которая предварительно нагревается.
Публикация DE 32 25 844 AI описывает способ и устройство для нанесения слоев из термопластичных пластмасс или термоплавких клеев. Описывается способ для нанесения слоев из термопластичных пластмасс или термоплавких клеев, при котором используемую пластмассу, соответственно, термоплавкий клей расплавляют, затем рассеивают и распыляют. Здесь предпочтительно температуру расплавленной пластмассы, соответственно, термоплавкого клея до момента распыления, поддерживают постоянной. Устройство для проведения способа содержит обогреваемое плавильное устройство для пластмассы или термоплавкого клея, обогреваемое устройство распыления, имеющее форсунку, обогреваемое устройство подачи расплавленного материала в устройство распыления, систему измерения и регулировки температуры, а также системы регулировки подачи и отвода расплавленного материала и, соответственно, нагретого газа-распылителя. Тем самым двухмерные или трехмерные предметы любого вида и формы можно покрывать снаружи и/или внутри равномерным или шаблонным слоем желаемой толщины.
3
Публикация DE 42 31 074 AI описывает использование порошков пластмасс в качестве наполнителя в поддающихся распылению и впрыскиванию покровных массах, лаках и уплотнительных массах. Описывается использование порошков диапазона плотностей от 0,1 до 2,0 г/см средней зернистости максимально 0,2 мм, полученных механическим измельчением содержащих соответствующие минеральные наполнители твердых пластмасс в качестве наполнителя соответственно наряду с прочими наполнителями в поддающихся распылению и впрыскиванию лаках, покровных и уплотнительных массах на основе одно- или двухкомпонентных полиуретановых связующих.
Публикация DE 101 61 600 AI описывает способ напыления слоев пластмасс. Описывается способ и устройство для нанесения на формованную поверхность содержащего наполнитель слоя пластмассы, причем смесь, содержащую адгезивную композицию, осадитель твердого вещества и наполнитель, напыляют на формованную поверхность, в котором сначала из смеси, содержащей адгезивную композицию и осадитель твердого вещества, формируют свободную струю для нанесения распылением и затем добавляют наполнитель в свободную струю еще не заполимеризованной адгезивной смеси. Способ особо пригоден для нанесения распылением плотных слоев, какие используются в обычных системах масса-пружина.
Публикация DE 10 2005 058 292 AI описывает способ и устройство для изготовления формованных деталей с нанесенным покрытием. Здесь описан способ и устройство для изготовления содержащих слой из полиуретана формованных деталей в режиме впрыска, при котором реакционно-способные компоненты смешиваются с помощью цилиндрической камеры смешения, и затем полученная реакционно-способная смесь течет по проточному каналу и напыляется на поверхность субстрата и на ней затвердевает, и затем проточный канал очищается потоком газа.
Задачей данного изобретения является предоставление способа, которым самые различные поддающиеся термопластичной переработке вещества можно наносить желаемым, определенным образом на разного рода поверхности субстрата в форме пленки.
Согласно изобретению вышеназванная задача решается способом нанесения покрытий распылением на поверхности субстратов, причем
(а) на первом этапе поддающееся термопластичной переработке вещество расплавляют в экструдере и, таким образом, разжижают,
(b) на жидко-расплавленное вещество воздействуют давлением посредством газа-носителя или пара-носителя,
(с) образующуюся из жидко-расплавленного вещества и газа-носителя или пара-носителя смесь продавливают через одну или несколько форсунок, причем соответственно в зоне выходного отверстия форсунки к распыляемой струе подводят газ-распылитель с температурой, которая, по меньшей мере, такая же высокая, как и температура расплава, и
(d) образующуюся распыляемую струю с жидко-расплавленным веществом направляют на поверхность субстрата, причем вещество в форме капель в текучем состоянии попадает на поверхность субстрата, образует непрерывное покрытие на поверхности субстрата и затем затвердевает.
Суть изобретения состоит, в основном, в том, что поддающееся термопластичной переработке вещество в одиночку или в виде компаунда в смеси с другими поддающимися термопластичной переработке веществами, с или без наполнителей расплавляют в экструдере, воздействуют определенным давлением посредством неорганического газа-носителя или пара-носителя, в виде смеси продавливают через одну или несколько дырочных форсунок, снижают давление до атмосферного и охлаждают только на поверхности субстрата.
В специальном исполнении компаунд непосредственно смешивают в двухшнековом экструдере. В другом исполнении к этому двухшнековому экструдеру подсоединяют, например, одношнековый экструдер или насос плавления.
В качестве материалов для распыления можно использовать практически все поддающиеся термопластичной переработке вещества, независимо от того, имеются ли они в виде гомополимеров или компаундов, не наполненные или наполненные неплавкими веществами. Особо предпочтительными в духе данного изобретения являются поддающиеся термопластичной переработке вещества, такие как однокомпонентные полимеры, сополимеры и тройные полимеры, а также поддающиеся термопластичной переработке эластомеры, в частности, выбранные из акрилонитрил-бутадиен-стирола (АБС), полиамида (ПА), полилактата (ПЛА), полиметилметакрилата (ПММА), поликарбоната (ПК), полиэтилентерефталата (ПЭТ), полиэтилена (ПЭ), полипропилена (ПП), полистирола (ПС), полиэфирэфиркетона (ПЭЭК) и поливинилхлорида (ПВХ), включая их сополимеры и компаунды, которые, соответственно, содержат прочие составные части, в частности, наполнители. В особой форме исполнения также можно распылять с большим содержанием газа и связанным с этим уменьшением вязкости такие высокоэффективные вещества, как, например, ПЭЭК. Количество наполнителей можно свободно изменять в широких пределах, причем количество наполнителей не должно превышать предпочтительно 80 вес. % в пересчете на вещество, поскольку в противном случае невозможно гарантировать монолитность покрытия.
Наполнители могут быть неорганической природы или собственно полимерами, которые не плавятся при температуре переработки, такими как, например, резина, причем, наполнители не имеют предпочтительной ориентации. Далее, в качестве наполнителей могут быть использованы неорганические короткие волокна, полимерные волокна с более высокой температурой плавления, чем температура переработки вещества или компаунда, а также природные волокна.
Путем изменения смеси в ходе распыления, изменения самого поддающегося термопластичной переработке вещества и/или наполнителя, а также соотношения поддающегося термопластичной переработке вещества к наполнителю можно получить послойно различающееся построение материала.
В качестве газа-носителя предлагаются инертные, в частности, неорганические газы или газовые смеси, а также пар. Особо предпочтительно в духе изобретения используют, например, азот, диоксид углерода, воздух или воду, газообразные при этой температуре.
Газ-носитель или пар-носитель предпочтительно используют в весовом отношении поддающегося термопластичной переработке вещества к газу-носителю или пару-носителю в диапазоне от 100 к 0,1 весовой части до 100 к 30 весовым частям, в частности, от 100 к 0,3 до 100 к 15 весовым частям. Предпочтительно распыляемую струю распыляют под давлением от 10 до 500 бар, в частности, от 20 до 400 бар.
С увеличением давления уменьшается размер капель, тем самым нанесение материала становится более гомогенным. Однако с увеличением давления сильнее охлаждается материал при расширении и релаксации. Это, в зависимости от материала, приводит к тому, что больше не достигается сцепления с поверхностью субстрата. Тогда в этом случае необходимо подводить подогретый газ (газ-распылитель) под давлением, предпочтительно воздух, который в благоприятном случае способствует дополнительному распылению.
Форсунки находятся, например, на гибкой нагнетательной трубе и могут передвигаться при помощи робота над поверхностью субстрата таким образом, что возможно сплошное нанесение материала. Сама(и) форсунка(и) сформирована(ы), например, как дырочная(ые) форсунка(и) с отверстиями числом от 1 до 50, предпочтительно от 5 до 20 отверстий, диаметром от 0,1 мм–10 мм, однако предпочтительно 0,5 мм–2 мм или отверстиями с эквивалентной площадью поперечного сечения определенной геометрии дырок указанных диаметров отверстий. Для дополнительного нагрева можно подавать горячий воздух (газ-распылитель).
Также можно использовать щелевые форсунки, габаритами 0,1-3,0 × 3-30 мм, предпочтительно 0,5-2,0 × 5-10 мм; также при этом в распылительной головке могут располагаться несколько щелевых форсунок.
Понятие газ-носитель в духе изобретения охватывает наряду с указанными выше веществами и элементами, которые при комнатной температуре (нормальном давлении) или при температуре переработки являются газообразными, также и такие вещества, которые путем химической или термической реакции образуют газообразные вещества или переходят в газообразное состояние. В этом смысле особо предпочтителен горячий воздух.
Химический состав газа-распылителя, который предпочтительно в форме кольцевой форсунки обводят вокруг выходного отверстия термопласта, может быть таким же, как и газ-носитель или отличаться от него. Особо предпочтителен горячий воздух в качестве газа-распылителя, который способствует дальнейшему расширению газа-носителя в термопласте и разогреву поверхности частиц.
Далее изобретение поясняется на двух примерах.
Примеры исполнения
Пример 1
Применялись имеющиеся на рынке экструдеры KraussMaffei Bernstorff (КрауссМаффай Берншторфф) ZE40 Ax29D и KE90x30D, подключенные в ряд; соответственно оснащенные специально сконструированными шнеками. Головкой служила головка с одиночной трубкой с 24 дырочными форсунками, соответственно диаметром дырок 1,1 мм, расположенными в два ряда.
В качестве поддающегося термопластичной переработке вещества был использован компаунд из 75 вес. % неорганического наполнителя (тяжелый шпат) и 25 вес. % имеющейся на рынке смеси пластмасс из ПЭ/ЭВА, беленого масла, текучей присадки и стабилизатора температуры в гранулах.
2
Объемная производительность составила 90 кг/ч и количество газа (газ-носитель) составляло около 1,1 кг/ч CO. Поверхностью субстрата служил имеющийся на рынке спрессованный нетканый материал из смеси волокон.
С этими параметрами были достигнуты хорошие характеристики распыления и получен пластичный при изгибе слой пластмассы на текстильной поверхности.
Пример 2
Принципиально в этом примере во втором применении была, в основном, использована такая же компоновка, как в Примере 1. Изменена была форсунка. Здесь использовали форсунку с перекрещивающимися струями фирмы BETE (БЕТЕ), у которой разогретый воздух в качестве газа-распылителя во внешнем кольце вокруг выходной форсунки разогревал смесь из газа-носителя и компаунда. Количество газа-носителя было снижено до 400 г/ч. У использованного материала наполнитель был сокращен до 25 вес. % и соответственно увеличено количество компаунда.
3
Объемная производительность составила 60 кг/ч. Использованное количество воздуха (газа-распылителя) составило 30 нм/ч и было нагрето до 300°C. Результат распыления был улучшен по сравнению с Примером 1.