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1. CN1646238 - Method and device for hardening a coating

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固化涂层的方法和装置


技术领域
本发明涉及一种固化工件涂层的方法和装置,特别是固化可辐射 固化的涂层的方法和装置。
背景技术
现有技术中工件涂覆有材料涂层是已知的,在用紫外线照射时进 行固化,接着,经涂覆的工件用紫外线照射。
特别是用可紫外线固化的光亮漆对工件例如车身喷漆是已知的, 并通过紫外线照射工件固化该涂层。
这种可紫外线固化的光亮漆以耐高划痕为特征。
在公知的可紫外线固化涂层的方法和装置中,经涂覆的工件用紫 外灯的紫外线照射。
如果涂覆的工件的复杂立体几何形状具有凹陷部和被遮蔽的区 域,需要在固化装置上安装紫外灯,这些紫外灯相对于工件可以移动, 使得工件的所有被涂覆的表面可以由紫外灯覆盖。由于紫外灯很笨重, 即使使用这种固化装置,紫外线不可能到达到所有凹陷部分或其它被 遮蔽的区域。紫外线没有照射到的涂层区域不能得到固化,这样会导 致没有经固化的涂层组份在工件工作一段时间后挥发,因此导致有害 于健康的臭味污染长时间存在。
为了避免这种问题,通常采用混合喷漆系统,其既可以通过紫外 线又可以通过加热进行固化。这种混合喷漆系统可以使得紫外线灯易 于接近的工件区域由紫外线固化,而不易于接近的工件区域由热对流 固化。其缺点是,为了进行完整的固化,这种混合喷漆系统必须一个 接一个地进行两个不同的完整的操作步骤,即紫外线照射和热对流固 化,这导致时间和设备成本的高花费,因为在固化过程中必须得到紫 外灯和合适的加热装置。
发明内容
因此,本发明的目的是提供一种固化涂层,特别是可辐射固化的 涂层的方法,其能够以简单的方式固化三维工件上不易接近区域上的 涂层。
本发明的目的由这种方法实现,即将该工件设置在等离子体发生 区中,在该等离子体发生区中产生等离子体,借助该等离子体至少局 部固化该涂覆。
本发明的技术方案以等离子体可以用于固化涂层的知识为基础。 由于该工件本身设置在等离子体发生区且工件位于产生的等离子体 内,可以固化工件所有表面甚至不易接近的内部表面的涂层。
由于该涂层是可以辐射固化的且适合于固化涂层的辐射在等离子 体中产生,该等离子体特别易于固化涂层。
由于该工件本身设置在等离子体发生区内且工件位于产生的等离 子体内,由等离子体发出的辐射可以从各侧到达工件。特别是,等离 子体也可以在工件的空腔内部产生,使得这些空腔的边界面能够接受 适合的辐射,用于从空腔本身固化涂层。以这种方式,适合固化涂层 的辐射可以到达该工件任何所希望的涂层表面,特别是到达工件的凹 陷部分或遮蔽区域,因此该工件上的可辐射固化涂层可以圆满地固化, 不需要复杂昂贵的处理装置。
优选该涂层主要借助等离子体基本彻底固化,在这种情况下,根 据本发明的方法只需要一个单独的工序,即等离子体固化工序,因此 根据本发明的固化方法节省时间,设备成本低。
而且,涂层用辐射固化就足够了;特别是涂层不必同时用加热固 化,因此不需要复杂的混合喷漆系统。
涂层采用高质量,特别是高耐划伤的可辐射固化材料,无需采用 热固化。
由于在根据本发明的方法中,等离子体占据了工件未占据的等离 子体发生区的空间,工件几何形状的变化对处理过程只产生很小的影 响或完全不产生影响。
由于涂层固化通过辐射实现且不通过、至少不全部通过热对流实 现,不需要加热整个工件来固化涂层。结果,明显减少了进行固化所 需的能量成本。
可以在等离子体固化过程之前、之时或之后,例如通过对流和/或 红外线辐射进行独立热固化过程。
在本发明的优选方案中,至少包括紫外线成分的电磁辐射在等离 子体中产生。
在说明书和权利要求书中的术语“紫外线”指的是电磁辐射,其 波长范围为1nm—400nm。
通过适当地选择产生等离子体的工作气体成分、和输入到该等离 子体的能量类型以及该等离子体工作压力,可以影响在等离子体中产 生的电磁辐射的波长范围和剂量。
要使得小于100nm波长的极短波辐射的成分尽可能的少,以避免 被固化涂层的损坏。
而且,已经证明,限制涂层暴露于等离子体辐照的时间有利于被 固化涂层的质量,其辐射时间最长为约120秒、优选最长为约90秒。
优选地,产生的等离子体发出的电磁辐射的波长在约50nm至约 850nm的范围内,特别在约50nm至约700nm的范围内,优选在约150nm 至约700nm的范围内,特别优选在约200nm至约600nm的范围内。
特别有利的是,由等离子体发出的辐射至少发出一部分波长优选 为约200nm至约400nm范围的紫外线。
该工件具有由等离子体发出的辐射固化的可辐射固化的涂层是有 利的。
特别有利的是,如果工件具有可以由至少含有优选为约200nm至 约400nm范围的紫外线成分的电磁辐射固化的涂层。
如果在等离子体发生区的压力值设定成最大为约100Pa,优选最 大为约1Pa,特别优选最大为约0.1Pa,这特别有利于产生适合固化涂 层的发射高辐射剂量的等离子体。
此外,在这种低压下工作的优点是,涂层的固化基本与氧隔离。 由于氧起涂层交联反应的抑止剂的作用,所以在真空状态下和/或输送 到等离子体中的功率小于在氧气氛下的交联反应的功率,涂层固化能 够更快地进行。
用作产生等离子体的工作气体的气体应当是化学上惰性且容易电 离的气体。
特别有利的是,如果等离子体发生区域含有氮气和/或惰性气体, 优选为氩气,作为工作气体。
另外,为了增加有效辐射的产生,如果在工作气体中添加金属, 例如汞,或金属卤化物,例如OsF 7 或IrF 6 ,将是有利的。
原则上,通过对等离子体发生区施加静电场和/或对等离子体发生 区输入电磁交变场可以产生等离子体。
优选地,借助由至少一个输入装置将电磁辐射输入到等离子体发 生区中而产生等离子体。
输入到等离子体发生区电磁辐射的频率可以在微波范围内或高频 范围内。
在说明书和所附的权利要求书中,微波辐射应理解为其频率在 300MHz至300GHz范围内的电磁辐射,而高频辐射应理解为其频率为 3kHz至300MHz的电磁辐射。
已经证明使用微波辐射特别适合产生高剂量的紫外线辐射。
因此,在本发明的一优选方案中,通过输入微波辐射产生等离子 体,其频率优选在约1GHz至10GHz的范围内,特别优选在约2GHz 至3GHz的范围内。
被输入的电磁辐射具体由磁控管产生。
为了增加输入电磁辐射的电离效果,所产生的磁场用于产生ECR (电子回旋共振)效应。在这种情况下,例如,利用激磁线圈装置产 生在等离子体辐射区内产生取向基本平行于输入等离子体辐射区内的 交变电磁场轴线的静磁场。该磁场强度设置成使在该磁场中的电子的 回旋频率相应于输入的电磁辐射的频率。在共振情况下,在等离子体 发生区中的自由电子从交变电磁场中吸收大量的能量,这样引起特别 有效的工作气体的电离。
为了能够在等离子体的不同区域分别产生尽可能高的电离密度, 电磁辐射借助多个输入装置输入到等离子体发生区,该输入装置优选 相对于工件设置在不同侧。
如果被处理的工件包括具有入口的空腔,用至少一个输入装置将 电磁辐射有利地输入到等离子体发生区中,使得电磁辐射通过该入口 进入工件的空腔。这确保具有高电离密度和相应的高紫外线辐射的等 离子体在工件空腔中产生,因此可以快速固化空腔边界面上的涂层。
如果工件是车身,特别重要的是,固化在喷漆期间过多喷射到达 车身内部的漆。这在根据本发明的方法中是很便利的,具体说,通过 将输入电磁辐射的输入装置对着车身窗口设置,即以这样的方式设置, 使得由输入装置产生的辐射场的轴线穿过窗口进入车身的内部。
在本发明一优选方案中,在固化过程中,要被电离的气体输送到 等离子体发生区。
要被电离的气体具体说是氮气或惰性气体,例如氩气。
由于在固化过程中要被电离的气体连续输送到等离子体发生区, 结果,在等离子体发生区产生流动,由于流动,通过与电离粒子碰撞 被激励的电离气体粒子和/或气体粒子可以到达输入电磁辐射不能到达 并因而不能激活等离子体的该工件的遮蔽区域。
而且,在等离子体发生区产生的气体流动导致等离子体尽可能的 均匀和各向同性,并因此使得辐射的剂量适合于固化涂层,并且尽可 能与方向和位置无关。
特别有利的是,要被电离的气体借助于靠近输入装置的输送装置 输送到等离子体发生区,由此电磁辐射输入到等离子体发生区。如果 在分布之前在等离子体发生区气体尽可能集中地被引导穿过电磁辐射 输入的位置,在引入的气体中产生特别高的离子密度,其随后通过气 体流动分布在整个等离子体发生区。
为了能够以特别节省时间的方式实施本发明的方法,可以在进行 固化过程之前,将工件放入前室接受预处理,并从该前室传送到进行 固化过程的等离子体发生区。
特别是,在工件放入前室之后,该前室被抽气,此时该室用作输 入室,其中工件的环境压力从大气压减小到等离子体发生区的工作压 力。
该前室的抽气首先使得在涂层中的溶剂提前被蒸发,所以要被固 化的涂层在前室中已经进行预干燥。
可替换地或除此之外,在前室中工件可以进行电磁辐射,具体说 进行微波辐射。在这种情况下,要被固化的涂层具体说可以通过吸收 电磁辐射中的能量被预干燥。可替换地或除此之外,可以在预处理室 中激活等离子体,其发射适合于固化已经经对涂层进行过第一次固化 过程的涂层的辐射。
另外,固化过程之后,工件可以从等离子体发生区传送到输出室。
特别是,在工件传送到输出室之前,该输出室被抽气到等离子体 发生区的工作压力。
在工件传送到输出室之后,该输出室被充气,即输出室的压力增 加到大气压力,并且工件随后从该输出室移出。
根据本发明的另一方面,涉及具有用本发明方法固化过的涂层的 工件。
该工件包括任何所希望的材料,特别是金属/或非金属材料。
具体说,例如,工件由钢、塑料或木质材料制成。
根据本发明的方法特别适合于固化其结构为非平面的和/或三维 工件上的涂层。
非平面工件是其涂覆的表面不在同一平面内而是在不同平面上的 工件,特别是在彼此不平行的平面和/或不在平面上。
具体说,该非平面工件具有涂覆的表面,这些表面彼此垂直。
特别是,根据本发明方法适合于固化其具有一个涂层凹陷和/或涂 层遮蔽区域的工件上的涂层。
在这种情况下,工件的遮蔽区域是在工件用点光源或平面光源照 射时从该光源发出的光不能直接到达的区域。
根据本发明方法适合于固化包含导电材料的工件上的涂层,并且 优选完全由一种或多种导电材料制成的工件上的涂层。
具体说,该工件包括金属材料,并且优选完全由一种或多种导电 材料制成。
可替换地或除此之外,该工件还包括塑料和/或木质材料,并且优 选完全由一种塑料材料或完全由木质材料制成。
等离子体发生区可以含有一种气体或几种气体的混合作为工作气 体,通过电离在这些气体中产生等离子体。
已经证明特别有利的是,该等离子体发生区含有氮气、氦气和/或 氩气作为工作气体。
氩气特别适合于激活并稳定等离子体。
氦气引起单个的密度峰值,特别是在紫外线光谱长波范围内。
氮气在紫外线光谱的宽范围内形成高密度的介质。
特别是,该等离子体发生区含有在固化过程中其成分变化的工作 气体。
因此,例如,工作气体成分的变化使得在固化过程的第一阶段, 在等离子体中产生的电磁辐射的密度中心位于第一波长处,而在之后 的固化过程的第二阶段,位于第二波长处,该第二波长与第一波长不 同。
特别有利的是该第二波长小于第一波长。
其结果是,在固化过程的第一阶段产生其密度中心在长波范围内 的电磁辐射,它特别适合固化工件整个厚度的涂层。
在固化过程的第二阶段,产生其密度中心处于短波范围内的电磁 辐射,因此特别适合于固化靠近自由表面的涂层覆盖层。
在根据本发明方法的一优选方案中,在固化过过程中工作气体成 分的变化使得在固化过程,在等离子体中产生的电磁辐射的密度中心 随着固化时间的增加,向较短波长偏移。
因此,例如,可以在约60秒的固化过程第一阶段中通过相应控制 气体供给,使得工作气体组份含有约20%体积的氩气,其余的为氦气。 这个工作气体组份使得在等离子体中产生的电磁辐射光谱的密度中心 处于长波紫外线范围内。
在接着的约30秒的固化过程的第二阶段,例如,可以将氮气添加 到该混合气体中,使得在等离子体中产生的电磁辐射光谱的密度中心 向较短的波长移动。
另外,已经证明特别有利的是,在等离子体被激活时,该等离子 体发生区含有氩气。氩气特别适合于作为形成等离子体并稳定等离子 体的激活气体。
因此,在根据本发明方法的一种特别优选方案中,在等离子体被 激活时,该等离子体发生区主要仅含有氩气。
为了形成所希望的工作气体组份,一种或多种气体和/或混合气体 经一个或多个输送装置输送到等离子体发生区。
为了在等离子体发生区中辐射的分布适合于复杂的非平面工件几 何形状,通过利用多个输入装置将电磁辐射输入到等离子体发生区产 生等离子体,该输入装置这样设置,使得在固化过程中等离子体发生 区由穿过工件的密度中心的水平面分成两部分时,至少一个输入装置 处于其两部分中的一个中。
可替换地或除此之外,在固化过程中当等离子体发生区域由穿过 工件的密度中心的垂直面分成两部分时,至少一个输入装置处于其两 部分中的一个中。
为了在等离子体发生区中的辐射分布适合于复杂的非平面工件几 何形状和空间地变化的涂层厚度,通过利用多个输入装置将电磁辐射 输入到等离子体发生区产生等离子体,其中至少两个输入装置具有彼 此不同的输入功率。
因此,具体说具有高输入功率的输入装置设置在具有大厚度涂层 的工件区域附近,而具有低输入功率的输入装置可以设置在具有小厚 度涂层的工件区域附近。
而且,可以通过多个输入装置将电磁辐射输入到等离子体发生区 产生等离子体,其中至少两个输入装置的结构不同。
这样,一个输入装置例如可以构造成作为ECR(电子回旋共振) 等离子体源,而另一输入装置可以构造成作为高频率平行板等离子体 装置。
为了能够在等离子体发生区域均匀分布辐射和/或尽可能更好地 适应特殊几何形状的工件,至少一反射器设置在等离子体发生区中, 反射在等离子体中产生的电磁辐射。
具体说,至少一镜膜设置在等离子体发生区作为反射器。
可替换地或除此之外,至少等离子体发生区域边界壁的子区域构 成反射器。
已经证明特别有利的是,至少一个反射器包括作为反射材料的铝 和/或不锈钢。
为了将该反射器更换成具有不同几何形状或由不同材料制成的另 一个反射器,有利的是该至少一个反射器可以从等离子体发生区拆下。
为了得到在等离子体发生区产生所希望的工作气体流动形状,气 体经一个或多个抽吸装置从该等离子体发生区抽出。
如果等离子体发生区的压力至少借助于一个具有设置在其内的节 流阀的抽吸装置改变,而气体供给保持恒定,那么,等离子体发生区 的压力可以以简单的方式改变。
根据被涂层工件的材料和几何形状,有利的是将该工件连接于一 个电势,该电势与等离子体发生区域的边界壁电势不同,或与等离子 体发生区域的边界壁的电势相同。
在根据本发明方法的具体方案中,该工件借助至少一个局部电绝 缘保持件与该等离子体发生区的边界壁电隔离。
根据这种方法的方案,将该工件连接于与等离子体发生区域的边 界壁电势不同的电势。
可替换地,该工件借助导电保持件与等离子体发生区域的边界壁 电连接。
其结果是,能够以简单的方式将工件连接于与等离子体发生区边 界壁的电势相同的电势。此外,可以将该工件和/或等离子体发生区域 边界壁连接于地电势。
产生的等离子体通过是当地选择该工件相对于该等离子体发生区 边界壁的电势而稳定。
在根据本发明的具体方案中,另外该工件具有涂层,该涂层可以 由至少包括紫外线成分的电磁辐射固化或由加热固化,或由至少包括 紫外线部分的电磁辐射和加热的组合固化。
这种公知的涂层例如称作“二元处理漆”。
通过采用这种涂层,可以用热源固化在等离子体中产生的电磁辐 射处理不能达到的或不易达到的工件涂层区。在这种情况下,例如通 过红外辐射或对流提供热能。而且,也可以在固化之前、之时和/或之 后利用在等离子体中产生的电磁辐射提供热能。
特别是为了达到初步干燥或随后固化的目的,该工件进行电磁辐 射,该电磁辐射在产生等离子体之前、之时和/或之后不在该等离子体 中产生。
这种辐射具体可以是微波辐射和/或红外辐射。
为了防止在固化含有溶剂的涂层时产生气泡,可以在产生等离子 体之前、之时和/或之后干燥该工件。
这种干燥例如可以通过微波辐射和/或红外辐射照射涂层实现。
可替换或对此补充,在产生等离子体之前,工件处于低于大气压 的压力下,优选该压力范围在约2000Pa至约50000Pa的范围内。
通过使工件处于低压下,溶剂可以从被固化的涂层中蒸发。
为了降低用于初步干燥而形成真空的设备费用,优选,在产生等 离子体之前,工件处于低于大气压的压力下,该压力高于在产生等离 子体时工件所受的压力。
此外,在固化过程中在等离子体发生区产生磁场,其可以具体用 来影响等离子体的局部电离程度并因此影响等离子体发生区的辐射分 布。
对等离子体发生区域的辐射分布产生影响的磁场独立地产生或可 以附加到用作利用ECR(电子回旋共振)效应并产生等离子体的磁场 上。
为了能够在固化过程中改变等离子体辐射区中局部的电离程度和 辐射分布,在本发明方法的具体方案中,在固化过程中其对辐射分布 产生影响的磁场强度是变化的。
具体说仅在固化过程开始后,在等离子体发生区域产生该磁场。
由于在固化过程后一阶段产生的这种磁场,工件受到特别暴露的 位置比工件其它位置的有效固化时间可以缩短。
这样特别有利于防止所使用的漆特别是白漆在灯照下变黄。
为了能够在等离子体发生区的局部电离度和辐射分布尽可能有利 于适合工件的几何形状及适应于工件上的局部涂层厚度,产生影响辐 射分布的磁场强度在等离子体发生区空间地变化。
特别是对重型的工件,有利的是提供输送装置,通过它将工件输 送到等离子体发生区,并在固化过程后移出该等离子体发生区。
本发明的另一目的是提供一种固化工件上涂层的装置,特别是固 化工件上可辐射固化涂层的装置,它使工件不易接近位置的涂层能够 以简单的方式固化。
该装置包括等离子体发生区、将工件送入等离子体发生区域的装 置以及在等离子体发生区中产生等离子体的装置。其中,在等离子体 中产生用于固化所述可辐射固化涂层的辐射,并且通过该辐射,所述 可辐射固化涂层至少局部发生固化。
具体说在等离子体发生区域产生的等离子体可以发射用于固化可 辐射固化涂层所需要的辐射。
附图说明
下面通过参照附图描述的实施例给出本发明的其它特征和优点。 其中:
图1是在等离子体中固化工件上的可辐射固化涂层的基本示意 图;
图2是固化工件上的可辐射固化涂层装置第一实施例的示意截面 图;
图3是固化工件上的可辐射固化涂层装置的第二实施例的示意截 面图;
图4是固化可辐射固化涂层装置的第三实施例的示意纵向截面 图,其用于固化车身上的可辐射固化涂层,并包括输入室、等离子体 室和输出室;
图5是沿图4的5—5线的图4装置的示意横截面图;
图6—10是图4和图15装置工作循环的连续阶段的示意侧面图;
图11是固化可辐射固化涂层装置的第四实施例的示意纵向截面 图,其用于固化车身上的可辐射固化涂层,并包括输入室、等离子体 室和输出室;
图12示出了沿图11的12—12线的图11装置的示意横截面图;
图13示出了固化可辐射固化涂层装置的第五实施例的示意横截 面图,其用于固化车身上的可辐射固化涂层,并包括反射器;
图14是固化工件上的可辐射固化涂层装置的第六实施例的示意 横截面图,其用于固化车身上的可辐射固化涂层,并包括具有反射室 壁的等离子体室;
图15是固化可辐射固化涂层装置的第七实施例的示意横截面图, 其用于固化车身上的可辐射固化涂层,包括几个输送装置和工作气体 抽吸装置;
图16是固化可辐射固化涂层装置的第八实施例的示意横截面图, 其用于固化车身上的可辐射固化涂层,并具有对所产生的等离子体的 电离度产生影响的磁铁;
图17是具有可辐射固化涂层的车身示意截面图,该车身借助工件 保持器保持在滑架上,所述的工件保持器包括电绝缘件;
图18是具有可辐射固化涂层的车身示意截面图,该车身借助工件 保持器保持在滑架上,所述车身用工件保持器以导电方式与滑架连接。
具体实施方式
在所有附图中相同或功能相同的零部件采用相同的附图标记。
图1示出了用于固化工件102上的可辐射固化涂层100的方法的 操作原理,该工件102设置在等离子体发生区104中。
该涂层由可以由具有紫外辐射的辐射固化。
这些可辐射固化材料的配方在本领域是公知且广泛公开的。这些 配方中含有,例如,被聚合的组份诸如单基聚物、齐聚物和/或聚合物, 可能的粘合剂,一种或多种光敏引发剂,以及其他通常可能的漆添加 剂,例如溶剂、流动调节剂、粘合改进剂,稳定剂,例如光保护剂、 紫外线吸收剂。
适合的单基聚物的例子是丙烯酸酯、含有羟基或环氧基的可能的 丙烯酸酯。不饱和的、可能官能的酰胺、聚酯、聚亚胺酯和聚醚可以 作为聚合组份。
例如通过将下面的组份混合可以制备这种可辐射固化的配方:
在己二醇二丙烯酸酯中75%环氧丙烯酸酯89.0份(在市场上称为 Ebecry 604,由比利时的UCB公司生产)
聚乙二醇—400—二丙烯酸酯10.0份(在市场上称为Sartomer SR 344,由Sartomer公司上产)
硅二丙烯酸酯1.0份(在市场上称为Ebecryl 350,由比利时的 UCB公司生产)
苯基—1—羟基环己基—酮2.0份(在市场上称为Irgacure,由瑞 典的Ciba专业化学公司生产)
该材料可以被交联,因此由可见光和波长为约200nm至约600nm 的紫外线照射固化。
可以由所希望的金属或非金属材料制成的工件102具有可辐射固 化材料的涂层,在最初它没有以适合的方式如通过浸漆、喷漆或喷涂 固化。
被涂覆的工件102放入等离子体发生区104中,该区充有工作气 体,例如其工作压力为约0.1Pa至约100Pa的氩气或氮气。
在工件102放入等离子体发生区104并且其工作气体中建立上述 低压力之后,或者如在图1所示通过电极106、108在等离子体发生区 104施加静电场和/或对等离子体发生区施加交变电磁场,在等离子体 发生区104产生等离子。
具体说,可以将电磁辐射施加到等离子体发生区104。该电磁辐 射频率可以在微波范围(从约300MHz到约300GHz之间)或在高频范 围(从约3kHz到约300MHz之间)。
工作气体的中性粒子(原子或分子)110由于吸收施加的静电场 或输入的交变电磁场中能量的电子的碰撞而电离,因此形成附加的自 由电子112和气体离子114。
由于自由电子112和气体离子114与其他中性气体粒子碰撞形成 原子团116和受激气体粒子(原子和分子)118。
等离子体的这些受激粒子释放一部分能量,该能量转换成电磁辐 射120形式的能量,其至少一部分的波长在可见光范围和紫外线范围 (从约200nm至约600nm)内。
辐射的紫外线辐射的一部分离开等离子体到达设置在等离子体内 的工件102的涂层100并被吸收且引起交联反应,如聚合、缩聚或加 聚反应,从而固化涂层100。
在涂层100接受到足够剂量的紫外线辐射以到达充分固化涂层 后,中断对等离子体能量的供给,以便形成中性工作气体气氛,等离 子体发生区104的压力为大气压,具有经固化涂层100的工件102被 移出等离子体发生区104。
图2示意性示出的并用附图标记122整体表示的装置用于固化工 件102上的可辐射固化涂层100,该装置包括一气密的等离子体室124, 在其内部形成等离子体发生区104。
该等离子体室124的内部容积为,例如约100公升。
该等离子体室124借助抽吸管126抽气,使其压力为约10-3Pa, 该抽吸管连接至真空泵系统128并通过止回阀130关闭。
该工件102保持在例如硅盘形式的工件保持装置131上,该工件 在其远离工件保持装置131的上侧具有由上述可辐射固化材料制成的 涂层100,该工件借助等离子体室124的进入门(未示出)被放置在图 2所示的操作位置。
用附图标记132整体表示的微波辐射输入装置包括设置在导波部 分136和激磁线圈装置138中的天线134,该输入装置设置在位于操作 位置的工件102之上的中部。
该天线134通过导波部分136与磁控管140连接,该磁控管产生 例如频率为2.45GHz的微波,该微波经导波部分136进入天线134并 从这里输入到等离子体发生区104中。
该导波部分136由石英窗141与等离子体发生区104隔开。
该激磁线圈装置138用于通过ECR(电子回旋共振)效应放大微 波辐射的电离效果。
该激磁线圈装置产生静磁场,它在等离子体发生区104内基本与 由天线134传播的微波辐射束的轴线142平行定向。所设定的磁场强 度使得磁场中的电子回旋频率对应于辐射微波的频率。在共振情况下, 自由电子从交变电磁场中吸收特别大的能量,从而特别有效地导致工 作气体电离。
如果采用频率为2.45GHz的微波辐射,那么,必须采用磁场强度 为875高斯的磁场,以获得ECR效应。
用于输送工作气体的几个输送装置144相对于由输入装置132产 生的微波辐射束的轴线142对称设置,这些输送装置分别包括以密封 方式进入等离子体室124的输送嘴146,该输送嘴146分别通过具有流 量调节器149的输送管148与气体存储箱150连接。当然,几个输送 装置144可以与同一气体存储箱150连接。
每一个流量调节器149分别通过控制线151与控制单元153连接, 根据辐射需要量来控制输送到等离子体发生区104中的工作气体的总 量。
由Roth & Rau表面技术股份公司(D—09337 Hohenstein-ernstthal, Germany)生产的在以RR 250的名称销售的ECR(电子回旋共振)等 离子体源可以具体用作输入装置132。
上述装置122操作如下:
具有尚未固化的涂层100并保持在工件保持装置131上的工件102 放置在等离子体室124之后,该等离子体室124借助真空泵系统128 在止回阀130打开后被抽气,使其基础压力为约10-3Pa。
而后,来自气体存储箱的工作气体借助输送装置144进入等离子 体发生区104,直到其工作压力例如为约0.3Pa。
在这种情况下,流入等离子体室124的气体由流量调节器149控 制,使得流入等离子体室124的气体总流量为约10sccm(每分钟标准 立方厘米)至约200sccm。
工作气体例如可以采用氩气或氮气。
在达到所希望的工作压力时,由磁控管140产生的微波辐射输入 等离子体发生区104且激发等离子体发生区104中等离子体。
输入微波功率例如在约400瓦至约1000瓦之间,优选最高为约 600瓦。
如果采用几个输入装置132,输入每个输入装置的微波输入功率 分别优选在约400瓦至约1000瓦之间,特别优选最高为约600瓦。
输入等离子体室124的气体粒子在微波辐射束中电离并再飘过等 离子体发生区104,使得等离子体基本充满整个等离子体室124。
由于带电粒子与在等离子体中被激励的气体粒子碰撞,释放紫外 线级的辐射,其由涂层100吸收并引起交联反应,从而固化涂层。
在90秒辐射时间之后,中断等离子体处理并使得该等离子体室通 风。
移出具有固化过的涂层100的工件102。
用上述装置122实现的固化方法的两个实际例子说明如下:
实例1:
由以下组份混合制备可光固化的组成物:
脂族氨基甲酸乙酯丙烯酸酯(Ebecryl 284;脂族氨基甲酸己酯丙 烯酸酯88份/己二醇二丙烯酸酯12份;Bayer股份公司)44.5份
脂族氨基甲酸乙酯—三/四—丙烯酸酯(Roskydal UA VP LS 2308; Bayer股份公司)32.2份
异丙醇50.0份
流动调节剂(Byk 306;Byk Chemic)1.5份
将以下组份添加到所列表规定的组成物中并在40℃在水槽中搅 拌:1—羟基—环己基—二苯酮(Irgacure 184;Ciba专业化学)2.7%, 双(2,4,6—三甲基苯甲酰基)(Irgacure 819;Ciba专业化学)苯膦 氧化物0.5%,tinuvin(双(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)癸二酸酯)400(= 混合物,它包括2—[4-[(2—羟基—3—十二烷基丙氧)氧]—2—羟苯 基]—4,6—双(2,4—二乙基苯基)—1,3,5—三嗪和2—[4-[(2— 羟基—3—十三烷基丙氧)氧]—2—羟苯基]—4,6—双(2,4—二乙基 苯基)—1,3,5—三嗪;Ciba专业化学)1.5%以及tinuvin 292(=混 合物,它包括双(1,2,2,6,6—五甲基-4-哌啶基)-癸二酸酯和1- (甲基)-8-(1,2,2,6,6—五甲基-4-哌啶基)-癸二酸酯;Ciba专 业化学)1%(根据固态计算)。镀铝线圈架呈倒U形。漆由喷射装 置喷涂,使最终的干燥层厚度为30μm。在立体基质上的漆在室温下通 风5分钟,而后,在通风烘室中在80°C下通风10分钟并且然后在等 离子体室124中进行固化。固化在气体比率为135/65sccm的N2/He气 氛下进行,其中通过微波天线输入的微波功率为500w,持续90秒。 样品与微波天线的距离为150mm,从而获得良好固化的不剥落的涂层。 固化程度由摆测硬度(DIN 53157)确定。摆测硬度的值越大, 涂层越坚固。该U形金属板的左侧的摆测硬度为67,右侧的摆测硬度 为91。U形板顶部的摆测硬度值为126。
实例2
通过混合下面的组成物制备组合物A和B:
组合物A:
含有羟基基团的聚丙烯酸酯11.38份;70%乙酸丁酯(Desmophen A870,Bayer股份公司)
在乙酸丁酯中的75%聚酯多元醇(Desmophen VP LS 2089,Bayer 股份公司)21.23份
流动调节剂(Byk 306;Byk Chemie)0.55份
甲醇32.03份
将下面的光敏引发剂和光保护剂搅拌到组合物A中:
双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)苯膦氧化物(Irgacure 184;Ciba专业化 学)0.17份
1—羟基—环己基—苯基酮(Irgacure 184;Ciba专业化学)1.52 份
tinuvin 400(=混合物,它包括2—[4-[(2—羟基—3—十二烷基丙 氧)氧]—2—羟苯基]—4,6—双(2,4—二乙基苯基)—1,3,5—三 嗪和2—[4-[(2—羟基—3—十三烷基丙氧)氧]—2—羟苯基]—4,6— 双(2,4—二乙基苯基)—1,3,5—三嗪;Ciba专业化学)0.85份
tinuvin 292(=混合物,它包括双(1,2,2,6,6—五甲基-4-哌 啶基)-癸二酸酯和1-(甲基)-8-(1,2,2,6,6—五甲基-4-哌啶基) -癸二酸酯;Ciba专业化学)0.56份
而后,将32.09份的含有异氰酸酯基团的氨基甲酸己脂丙烯酸酯 (Roskydal UA VP LS 2337;Bayer股份公司)加入到组合物B中并均 匀分布。
由此,制成二元处理漆。
用100μm的开槽喷漆叶片将所述漆喷到平线圈架的涂层铝上,获 得30μm的干燥层厚度。所述漆在室温下通风5分钟,接着,在通风烘 室中在120℃下热交联15分钟,而后在等离子体室124中进行固化。 固化在气体比率为160/40sccm的N 2 /Ar气氛下进行,微波功率为800w, 持续90秒。样品与微波天线的距离为150mm,从而获得良好固化的不 剥落的涂层。其固化程度由Kaenig摆测硬度(DIN 53157)确定。摆测 硬度的值越大,涂层越坚固。获得摆测硬度值为118。
包括平行板电极组件的高频平行板等离子体装置可以用在装置 122中,以替代上述的ECR等离子体源,该电极组件距等离子体发生 区域中的工件有一定距离。在这种情况下,等离子体由在平行板电极 装置和工件保持装置之间施加的,例如,为约13.6MHz的高频交流电 压激活。提供的功率例如为约10瓦至约200瓦。优选的操作压力为约 1Pa,并且用输送管中的流量调节器通过输送被电离的气体设置,该气 体优选为氩气。
由高频操作的装置在结构和功能方面的其他情况与由微波操作的 装置相同,对此,参照上述的描述。
在图3中示意地示出的固化工件102上的可辐射固化涂层100的 装置122的第二实施例与上述第一实施例的不同在于,除了在工件102 操作位置之上的第一输入装置132之外,相对于第一输入装置132在 等离子体室124的相对侧设置第二输入装置132’。
第二输入装置132’的结构与第一输入装置132相同,并且具体包 括在导波部分136中的天线134,它通向磁控管140并借助石英玻璃片 141与等离子体发生区域104隔开,该第二输入装置132’还包括产生 ECR效应的激磁线圈装置138。
此外,工作气体的几个输送装置144’相对于由第二输入装置132’ 产生的微波辐射束的轴线142对称设置,这些输送装置分别包括以密 封方式进入等离子体室124的输送嘴146,该输送嘴146分别由具有流 量调节器149的输送管148与气体存储箱150连接。
每一个流量调节器149分别经控制线151与控制单元153连接, 该控制单元根据辐射需要量来控制输送到等离子体发生区域104中的 工作气体的总量。
图3示出的装置122的第二实施例可以固化形状复杂三维工件102 上的涂层100,如图3所示的工件102,例如,具有一空腔152,它具 有一入口154,其中该空腔边界表面具有要被固化的涂层100。
该工件102这样设置在等离子体发生区104中,使空腔152的入 口154对着第二输入装置132’且该输入装置132’的轴线142’穿过入口 154进入空腔152。
这确保第二输入装置132’的微波辐射从进入工件102的空腔152, 以便在空腔152中产生等离子体。
通过与等离子体的带电粒子碰撞的被激励的气体粒子通过扩散进 入空腔152的遮蔽区域156,并在此发出可见光和紫外线辐射,它们由 空腔152遮蔽区域156内壁上的涂层吸收,而可见光或紫外线辐射不 能从位于工件102外侧的等离子体发生区域104的区域进入该空腔中。 这样,遮蔽区域156中的涂层完全被固化。
图3示出的用于固化可辐射固化涂层100的装置122的第二实施 例的结构和功能与图2所示的第一实施例相同,对此,参见上述描述。
图4和5所示出的固化工件102上的可辐射固化涂层100装置的 第三实施例包括三个室,它们被抽真空并在输送方向顺序设置,其三 个室为前室或输入室160、等离子室124和输出室162。
各室的直径为约2.5米,其长度为约6米,因此每个室分别接纳 车身164形式的工件,它们保持在滑架166上。
每个滑架包括平行于输送方向158的两个滑轨168,借助它们相 应的滑架166支承在分别设置在每个室160、124和162中滚轮输送装 置170的输送滚轮上。
输入室160的入口和输出室162的出口分别由真空密封外提升门 172密封。从输入室160到等离子室124的通道以及从等离子室124到 输出室162的通道分别由真空密封内提升门172’密封。
图4和5示出了提升门172、172’的上开启位置,其中所述通道打 开,车身164可以通过。
每个室160、124和162借助相应的前部泵174和鲁茨抽风机(Roots blower)176抽气,使其工作压力为约1Pa。
等离子室124设有多个微波辐射输入装置132,其中一个设置在 放在等离子室124中的车身164的正上方,而其它两个输入装置设置 在等离子室124的侧壁上,它们对着车身164的窗口178,使得由这些 输入装置产生的微波辐射束的轴线142穿过窗口进入车身164的内部。
每个输入装置132分别通过导波部分136与磁控管140连接,用 于产生频率为2.45GHz的微波。
此外,靠近各输入装置132设置气体喷射系统(未示出),它们 借助输送管与气体存储箱连接,在固化过程中将工作气体例如氩气或 氮气输送到等离子室124中。
经导波部分136与磁控管140连接用于微波辐射的输入装置132 在输入室160中被设置在车身164的正上方,即设置在输入室160中。
输入装置132在等离子室124或输入室160内部是可拆卸的,以 便它们根据车身的几何形状可以以最佳的方式随即设置,特别是可以 尽可能靠近窗口。
用于固化在车身164上的可辐射固化涂层的上述装置122的功能 如下:
该装置以确定的循环操作,其中第一工作循环、第一输送循环、 第二工作循环和第二输送循环分别连续地一个接一个进行,形成装置 的操作循环。
总的循环的时间,即两个工作循环和两个输送循环的整个时间是 约90秒。
在图6示意所示的第一工作循环期间,所有提升门172、172’关闭。 一个车身164设置在输出室162中,而另一车身164’设置在等离子室 124中。
在第一工作循环中,输出室162被充气直到达到环境压力。
在第一工作循环中,在等离子室124中的车身164’进行等离子体 固化,其中工作气体借助气体喷射系统输送到用作等离子发生区104 的等离子室124的内部,等离子体由来自磁控管140的微波辐射激活。
直接靠近已激活的等离子体的等离子体发生区104的车身164’的 涂层100的那些区域由可见辐射和紫外线辐射从该区域被辐射。
此外,由与等离子体带电粒子的碰撞被激励的气体粒子扩散到车 身164’内部的遮蔽区域并产生可见光和紫外线,这样在遮蔽区域156 的涂层100也被固化。
在固化过程中,输送到等离子体室124中微波功率总共为约10kw。
空的输入室在第一工作循环期间被充气直到达到环境压力。
在第一工作循环之后的如图7所示的第一输送循环中,外提升门 172打开。一个新的车身164”被输送出喷漆车间区域外为了例如送进 输入室160,喷漆车间沿输送方向158位于输入室160的前面,其中新 的车身164”已具有辐射固化材料的涂层,该材料具有上述的组分, 而在第一工作循环中位于输出室162中的车身164借助滚轮输送装置 170输送到输出室162之后的喷漆车间。
在第一输送循环过程中,其车身164’保留在等离子体室124中, 在第一输送循环过程中继续进行等离子体固化。
在第一输送循环之后进行图8所示装置的第二工作循环,对此, 所有提升门172、172’再次关闭。
在第二工作循环中,在等离子体室124中继续对车身164’进行等 离子体固化。
此外,在第二工作循环中,输入室160和输出室162借助相应的 前部泵174和相应的鲁次抽风机176抽气,从其大气压到其约为100Pa 的工作压力。抽气导致输入室160中的车身164上的漆层形式的涂层 100的预干燥。
另外,来自磁控管140的微波辐射借助输入装置132可以输入到 输入160,直接用微波干燥涂层100,如果需要激活此时处于输入室160 中等离子体,其发射可见辐射和紫外线辐射进入涂层,这样产生对涂 层的第一固化过程。
在对等离子体室中的车身164’进行辐射约60秒的时间结束后,中 断对等离子体的能量供给并调节气体供给。
在第二工作循环之后的图9所示的第二输送循环中,内提升门172’ 打开,而外提升门172保持关闭。
在第二输送循环中,借助输入室160和等离子体室124中的滚轮 输送装置输送车身164’离开等离子体室124进入输出室162。
同时,在第二输送循环过程中,借助输入室160和等离子体室124 中的滚轮输送装置输送车身164”离开其输送室160进入等离子体室 124。
然后关闭内提升门172’并重新开始装置122操作循环的第一工作 循环(图10),其中在等离子体室124中的车身164”进行等离子体固 化过程,而输出室162和输入室160被再一次充气直到在其内达到环 境压力。
为了在等离子体室124中进行等离子体固化,也可以在输入理室 160对车身进行热预处理和/或在输出室162中进行热后处理。
该热预处理或热后处理具体可以包括独立的热固化过程,其中涂 层例如用热源加热,例如用红外光通过热对流和/或热辐射加热到例如 约50℃至约250℃,并因此进行固化。
此外,在等离子固化过程之前、之中和/或之后也可以对车身进行 热处理,例如,通过用红外光辐射对漆的涂层加热。
示于图11和图12用于固化工件102上的可辐射固化涂层100的 装置的第四实施例与图4和图5所示的第三实施例的不同之处在于, 除了用于微波辐射的的输入装置132(其设置在具有可辐射固化涂层 100的车身164平面的水平纵向中心的上方)之外,还设置附加的输入 装置132’,其设置在车身164平面的水平纵向中心的下方,这从图 12可以清楚看到。
每个附加的输入装置132’通过各自的波导部分连接于磁控管 140,用于产生频率为2.45GHz的微波。
不同的输入装置132、132’可以具有同样的结构。
但是,可选地,也可以设置至少两个这种输入装置132、132’, 其具有不同的结构和/或不同的输入等离子体发生区104的微波功率。
具体说,可以使设置在具有较厚涂层100的车身164区域附近的 输入装置132、132’具有较大的输入功率,而设置在具有较薄涂层100 的车身164区域附近的输入装置132、132’具有较小的输入功率。
此外,在第四实施例中,一方面节流阀200可以分别设置在等离 子体室124、输入室160和输出室162之间的抽吸管126上,另一方面 设置真空泵128,通过它可以对相应的室124进行抽真空。
由于节流阀200设置在抽吸侧,即使对相应室提供的气体是恒定 的,在等离子体室124或输入室160或输出室162中的压力可以被改 变。这样,可以在各室中产生及时改变的所需要的压力分布,不需要 对相应各室的气体供给进行控制或调节。
等离子体室124中的等离子体状态可以通过增加输入装置132、 132’的数量和/或由于适合相应局部涂层的厚度的输入装置132、132’ 的输入功率被均匀化。
固化可辐射固化涂层装置第四实施例的其它结构和功能与第三实 施例相同,对此参见上述的描述。
图13所示的用于固化工件102上的可辐射固化涂层装置的第五实 施例与上述第三实施例的不同只在于在等离子体室124内的反射器202 具有朝向车身164的相应反射面204。
该反射器202用于将在等离子体中产生的电磁辐射朝向车身164 反射并使得等离子体室124中的辐射分布均匀化。
而且,借助反射器202可以使得足够量的电磁辐射到达不易接近 的车身164的遮蔽区域。
反射面204例如可以由铝或不锈钢制成或具有由这些材料之一制 成的镜膜。
反射器202优选可拆卸地保持在等离子体室124的壁上,这样反 射器202可以从等离子体室124上拆下,换上其它反射器202。
固化涂层装置第五实施例的其它结构和功能与第三实施例相同, 对此参见上述的描述。
图14所示的固化车身164上的可辐射固化涂层装置的第六实施例 与上述第五实施例的不同只在于等离子体室124的边界壁(包括面向 等离子体室124内部的内提升门172’的壁面)具有反射层206,以便在 该实施例中该等离子体室124的边界壁本身作为反射器202,将在等离 子体发生区104产生的电磁辐射朝工件102反射。
该反射涂层206例如可以由铝或不锈钢制成。
而且,也可以使等离子体室124的边界壁没有反射层,而是完全 由反射材料制成。
在第六实施例中可以省去第五实施例中与等离子体室124的边界 壁独立设置的反射器。但也可以想到,在具有反射的边界壁的等离子 体室124内部设置与第五实施例相关的附加反射器202,以便在需要时 有目的地对等离子体室124中的辐射分布产生影响。
固化可辐射固化涂层装置第六实施例的其它结构和功能与第五实 施例相同,对此参见上述的描述。
图15所示的用于固化工件102上的可辐射固化涂层100的装置的 第七实施例具有将工作气体输送到等离子体室124中的几个输入装置 144和将气体从等离子体室124中抽出的几个抽吸装置208。
各抽吸装置208包括抽吸管126,其上设置止有回阀130和真空 泵128。
从图15中可看出,该输送装置144设置在位于车身164水平纵向 中心面以下的区域,而抽吸装置208设置在位于车身164水平纵向中 心面以上的区域。
这样,在其中产生等离子体的工作气体形成的流动从下向上可以 通过等离子体室124,特别通过车身164。
这样产生的通过等离子体室124形成的工作气体流动证明有利于 产生具有均匀辐射分布的稳定的等离子体。
固化可辐射固化涂层装置第七实施例的其它结构和功能与第三实 施例相同,对此参见上述的描述。
图16所示的固化可辐射固化涂层装置的第八实施例与上述实施 例的不同在于至少附加设置一磁铁件210,用于在等离子体发生区104 产生磁场。
通过由磁铁件210产生的磁场可以对等离子体室124中的等离子 体的局部电离程度和辐射分布产生影响。
该磁铁件210可以由永磁铁或电磁铁构成。
利用磁铁件210为电磁铁的结构特别适合于产生随时间变化的磁 场。
具体说,在涂层100的固化过程开始后,例如,固化时间过去约 一半后,磁场仅由磁铁件210产生,以减小辐射强度,特别是工件102 暴露位置的辐射强度。
具体说,以这样的方式在光固化过程中可以防止变黄,特别是对 白漆而言。
固化其工件上的可辐射固化涂层的装置第八实施例的其它结构和 功能与第三实施例相同,对此参见上述的描述。
特别是在工件102由导电材料制成的情况下,如果工件102具有 涂层100且等离子体室124的边界壁连接于相同的电势,这样有利于 稳定产生的等离子体。
这具体可以借助于导电工件保持件将工件102与等离子体室124 的边界壁以导电方式连接而实现。
举例来说,图18所示的车身164通过导电工件保持件212与滑架 166连接,该滑架本身以导电的方式与等离子体室124的边界壁连接。 这确保该工件(车身164)与电势φ 1 连接,电势φ 1 与设置在滑架166 和等离子体室124的边界壁上的电势φ 2 相同。
具体说工件102和等离子体室124的边界壁可以接地。
但可替换的是,在一些情况下有利的是工件102连接的电势与等 离子体室124的边界壁电势不同。
在这种情况下,需要用电绝缘件将工件102与等离子体室124的 边界壁隔开。
对此,举例来说,图17所示的车身164通过工件保持件212机械 连接到滑架166上,但在这种情况下,工件保持件212包括一电绝缘 件214,它使得在工件侧的工件保持件212部分与滑架侧的工件保持件 212部分电隔离。
在这种情况下,工件(车身164)的电势φ 1 与滑架166和等离子 体室124的边界壁上的电势φ 2 不同。
工件102的电势φ 1 可以设定在一定水平,例如地电势或与地电势 不同的电势。
可选地,工件102也可以不与外界预定的电势连接,但可以被改 变。
该电绝缘件214可以由具有足够电绝缘作用的任何所希望的材料 制成,如由适合的塑料材料或适合的陶瓷材料制成。
其电绝缘件214优选由耐真空材料制成。