Ganzlin Pulverlack "Trocken in Trocken" Technologie

Möglichkeiten der Verbesserung des Korrosionsschutzes pulverbeschichteter Bauteile durch einmaliges Einbrennen von zwei Pulverschichten mit unterschiedlichen Eigenschaften (Pulver-auf-Pulver-Technologie) – Zwischenergebnisse aus einem aktuellen Projekt

Einleitung

Pulverbeschichtungen haben aufgrund ihrer Lösungsmittelfreiheit in der Industrielackierung eine zunehmende Bedeutung. Im Jahre 2010 ist im Vergleich zu 2009 eine Steigerung der Produktionsmenge an Pulverlack um 12,8% ermittelt worden. [1] Ausgangspunkt für die bisher durchgeführten Arbeiten ist der zum Teil nach wie vor unzureichende Korrosionsschutz von Pulverbeschichtungen an Kanten.

Schnittkantenkorrosion an einer pulverbeschichteten Entlüfterhaube Kantenflucht [2]

Eine Möglichkeit zur Verbesserung des Korrosionsschutzes von Pulverbeschichtungen an Schnittkanten ist die Verwendung von Pulverbeschichtungen mit gutem Kantenabdeckungsvermögen. Pulverbeschichtungen mit glattem Verlauf und hohen Glanzgraden (Glanzgrad 60° > 70) besitzen prinzipiell ein geringes und Strukturpulverlacke ein gutes Kantenabdeckungsvermögen.

Es werden aber glatt verlaufende Pulverbeschichtungen mit hohem Glanzgrad und gleichzeitig guter Kantenabdeckung vom Markt gefordert. Dem stehen aber die stofflichen Eigenschaften glatter Pulverbeschichtungen gegenüber. Der hohe Glanzgrad von Pulverbeschichtungen nach dem Einbrennen wird durch die niedrige Viskosität und dem Verlaufen während der Aufschmelz- und Filmbildungsphase bei Temperaturbeaufschlagung des Pulvers im Ofen erreicht. Dies hat die starke Kantenflucht mit den daraus resultierenden Korrosionsproblemen zur Folge.

Das Problem der zum Teil mangelhaften Kantenabdeckung von glatten Pulverbeschichtungen ist schon viele Jahre bekannt. Die von Pietschmann, J. E. et al im Jahre 1990 veröffentlichten Untersuchungsergebnisse haben gezeigt, dass die maßgeblichen Größen für die Kantenflucht die Oberflächenspannung und die Schmelzviskosität des flüssigen Lackes sind, siehe Bild 2. [5]

Abhängigkeit der Oberflächenqualität einer Pulverlackierung von der Oberflächenspannung und der Schmelzviskosität [3, 5]

Ein möglicher Ansatzpunkt könnte die Verwendung eines zusätzlichen Kantenschutzpulvers bzw. auch eines Grundpulvers sein. In der Praxis ist diese Variante bekannt und stellt den Stand der Technik dar. Für höherwertige Korrosionsschutzanforderungen werden ab einer Korrosivitätskategorie von C3, Schutzdauer hoch zweischichtige Pulverbeschichtungen empfohlen.

Geringe Kantenabdeckung einer zweischichtigen Pulverbeschichtung auf einem verzinkten Stahlblech (Epoxidharz-Grundpulver + Polyesterharz-Deckpulver)

Defizite klassischer zweischichtiger Pulverbeschichtungen

Bei der Herstellung von zweischichtigen Pulverbeschichtungen wird seriell bzw. nacheinander gearbeitet. Das heißt, nach Applikation des Grundpulvers erfolgt das Einbrennen, oft auch Vorgelieren genannt, danach erfolgen die gleichen Arbeitsschritte noch einmal für das Deckpulver. Bei diskontinuierlichem Einbrennen der Pulverschichten mittels Kammerofen als auch beim kontinuierlichen Einbrennen der Pulverschichten in einem Durchlaufofen muss das Bauteil zweimal den Prozess des Einbrennens der Pulverbeschichtung durchlaufen, was unwirtschaftlich (kostenintensiv) ist.

Zudem ist auch bei der üblichen Vorgehensweise bei zweischichtiger Applikation mit zwei Einbrennvorgängen nicht immer abgesichert, dass eine gute Kantenüberdeckung mit der Pulverbeschichtung vorhanden ist, siehe Bild 4.

Prozessschritte beim Pulverbeschichten, oben: herkömmliche Technologie, unten: neue Technologie

Die neue Produkt- und Verfahrenstechnologie soll mit nur einem Einbrennvorgang auskommen, wobei zwei Pulverschichten nacheinander (Pulver auf Pulver) appliziert werden sollen, die unterschiedliche Eigenschaften haben. Das Grundpulver muss ein gutes Kantenabdeckungsvermögen besitzen, das Deckpulver muss glänzend mit einem Glanzgrad, wenn gefordert, von größer 70 Einheiten (60°) sein, siehe Bild 5.

Notwendigkeit für die Verfahrensvariante Pulver auf Pulver

Eine alleinige Erhöhung der Schichtdicke eines Pulvers reicht – zumindest bei Verwendung einer glänzenden Pulverbeschichtung – nicht aus, um eine ausreichende Kantenabdeckung, insbesondere an scharfkantigen Schnittkanten, zu erreichen. Die glänzende Pulverbeschichtung muss demnach mit einem geeigneten Grundpulver quasi „unterfüttert“ werden, damit die Kantenflucht des glänzenden Deckpulvers gehemmt wird.

Im Gegensatz zur herkömmlichen Technologie des Herstellens von zweischichtigen Pulverbeschichtungen durch zweimaliges Durchlaufen der Applikations- und Härtungszone sollen mit der zu entwickelnden Methode eine Applikation Pulver auf Pulver mit einmaliger, nachgeschalteter Einbrennzone die Vorteile einer zweischichtigen Pulverbeschichtung mit nur einem Einbrennvorgang erreicht werden. Mit dieser Verfahrensvariante lassen sich enorme Kosten sparen.

Voraussetzungen bzw. Bedingungen für die Pulver-auf-Pulver-Technologie

Um die Problemstellung zu lösen müssen Grund- und Deckpulver prinzipiell miteinander verträglich sein, im Einzelnen ist darunter folgendes zu verstehen:

  1. Das Grund- und das Deckpulver müssen nacheinander in ausreichender Schichtdicke in der Verfahrensvariante Pulver auf Pulver applizierbar sein. In automatischen Pulverapplikationsanlagen, so genannten Pulverzentren, können dabei enorme Probleme durch Pulververschleppungen entstehen.
  2. Während der Aushärtung bzw. während der Filmbildung im Ofen darf die Durchmischung der beiden Pulverschichten nicht zu intensiv sein, damit der Farbton und die wetterbeständigen Eigenschaften der Deckbeschichtung nicht beeinträchtigt werden.
  3. Es dürfen keine Fehlstellen, durch Benetzungsstörungen oder ausgelöst durch Abspaltung von Wasser bei Verwendung HAA-vernetzenden Polyesterharzen, im Beschichtungsfilm des Deckpulvers erkennbar sein.
  4. Zwischen Grund- und Deckpulver muss nach dem Einbrennen eine ausreichende Haftfestigkeit vorhanden sein (kein adhäsives Versagen).
  5. Die Kantenflucht der neuen Verfahrenskombination muss gering sein. Die Kantenabdeckung muss bedeutend besser als bei Standardvarianten sein.

Berücksichtigung unterschiedlicher Applikationsverfahren

Im Labor erfolgten umfangreiche Applikationsversuche zur Auswahl geeigneter Verfahren bzw. Verfahrenskombinationen für die Pulverapplikation. Dabei hat sich eine Kombination aus elektrostatischer und Tribo-Aufladung als besonders geeignet herauskristallisiert.

Ergebnisse von Applikationsversuchen

Für eine ausgewählte Pulverkombination aus Grund- und Deckpulver wurden unter Berücksichtigung der oben genannten Applikationsverfahren ebene Blechproben pulverbeschichtet und nachfolgend einmalig, wie beschrieben, eingebrannt. Für die gewählte Pulverkombination hat sich gezeigt, dass folgende Einzelschichten einzuhalten sind:

- Grundpulver: 40-60µm
- Deckpulver: 100-120µm

Diese Schichtdicken können nach dem Einbrennen, zum Beispiel zerstörend mittels Keilschnittprüfung, gemessen werden. Zur genauen Ermittlung der Einzelschichtdicken für das Grund- und Deckpulver wurden metallografische Querschliffe angefertigt, siehe Bild 6.

Prozessschritte beim Pulverbeschichten, oben: herkömmliche Technologie, unten: neue Technologie

 

Auf den oben dargestellten Querschliffaufnahmen ist neben den Einzelschichten des Grund- und Deckpulvers eine gewisse Durchmischung der beiden Pulverlackschichten zu erkennen.

In vergleichenden infrarotspektroskopischen Untersuchungen auf dem Deckpulver konnte dort aber keine Verunreinigung durch Anteile der Grundierung nachgewiesen werden.

In der Draufsicht unter bestimmten Betrachtungswinkeln zeigte sich jedoch noch bei den Pulver-auf-Pulver-Proben eine leichte Oberflächenstörung/Mattierung des Deckpulvers, die man durch Glanzmessungen im Winkel 20° am ehesten erfassen kann, siehe Tabelle 1.

Tabelle 1: Ergebnisse von Glanz- und Farbmessungen

Zusammenfassung

Für höherwertige Korrosionsschutzanforderungen ab einer Korrosivitätskategorie von C3 mäßig, Schutzdauer hoch ist in der Regel die Ausführung zweischichtiger Pulverbeschichtungen empfehlenswert. Unter bestimmten Bedingungen kann damit ein besserer Korrosionsschutz an Schnittkanten erreicht werden, was die Bauteilqualität insgesamt steigert. Ein besseres Kantenabdeckungsvermögen bei zweischichtigen Pulverbeschichtungen kann aber nicht immer erreicht werden, insbesondere dann, wenn glatte, glänzende Oberflächen gefordert sind. In einem Vorgängerprojekt wurde unter anderem festgestellt, dass Strukturpulverbeschichtungen im Gegensatz zu glänzenden Pulverbeschichtungen ein vorteilhaftes Kantenabdeckungsvermögen besitzen. Strukturpulverbeschichtungen besitzen aber auch spezielle Additive, die die Zwischenhaftung zum darüber liegenden Deckpulver stören können.

Die hier vorgestellten Arbeiten werden durchgeführt, um einerseits die Pulver-auf-Pulver-Technologie für die Herstellung von zweischichtigen Pulverbeschichtungen mit nur einem Einbrennvorgang zu entwickeln. Gleichzeitig soll eine verbesserte Kantenüberdeckung mit den Pulverbeschichtungen durch die Kombination von zwei Pulverbeschichtungen mit unterschiedlichen Eigenschaften/Aufgaben erreicht werden.

Die ersten Untersuchungsergebnisse im Labor und unter produktionsnahen Bedingungen zeigten, dass eine Pulver-auf-Pulver-Applikation mit der entwickelten Kombination aus Grund- und Deckpulver mit nachfolgend einem Einbrennvorgang funktioniert. Weitere Detailarbeiten hinsichtlich der Pulverbeschichtung von komplizierten Bauteilgeometrien sowie der Pulverbeschichtung unter Großserienbedingungen müssen noch erfolgen. Hierüber kann gegebenenfalls zu einem späteren Zeitpunkt berichtet werden.

Förderhinweis

Die Arbeiten zum Thema „Entwicklung eines zweischichtigen Pulverbeschichtungssystems für einmaliges Einbrennen nach der Applikation Pulver auf Pulver“ werden aus Haushaltsmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Programm „Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand“ (ZIM) gefördert. Für diese Förderung und Unterstützung sei, im Namen aller Projektbeteiligten, gedankt.

Quellenverzeichnis

[1] Verband der deutschen Lack- und Druckfarbenindustrie e. V.: Produktionsstatistik für Farben und Lacke in Deutschland im Jahre 2010. FARBE UND LACK. 117 (2011) 5, Seite 11
[2] AiF-ProInno II-Projekt: Thema: Beschichtungsgerechtes Zuschneiden von Halbzeugen vor dem Pulverbeschichten. Teilprojekt: Korrosionsschutzvermögen von Pulverbeschichtungen an Schnittkanten. Registriernummer: KF0130905SU7. Institut für Korrosionsschutz Dresden GmbH. 12. Mai 2010
[3] Pietschmann, J.: Industrielle Pulverbeschichtung Grundlagen Anwendungen Verfahren. 2., überarbeitete und erweiterte Auflage. Friedr. Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2003
[4] DIN 55633: Beschichtungsstoffe – Korrosionsschutz von Stahlbauten durch Pulver-Beschichtungssysteme – Bewertung der Pulver-Beschichtungssysteme und Ausführung der Beschichtung, Ausgabe April 2009
[5] Pietschmann, J. E.; Pfeifer, H.; Raub, Ch. J.: Einfluß der Zusammensetzung des Pulverlackes auf die Kantendeckung. Metalloberfläche 44 (1990) 11, Seite 513-516

Ihre Ansprechpartner

Stefan Sommer (Ganzlin Beschichtungspulver GmbH)
E-Mail: s.sommer@ganzlin.com

Jörg Gehrke ( Institut für Korrosionsschutz Dresden GmbH )
E-Mail: joerg.gehrke@iks-dresden.de

Jens Lorenz ( Briloner Leuchten GmbH )
E-Mail: j.lorenz@briloner.de

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