被覆基材及其制造方法与流程

本发明涉及一种通过将至少一种涂层材料涂布到包含塑料的基材上来制造被覆基材的方法，其中塑料选自从由聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、热塑性聚烯烃(TPO)或它们的混合物所组成的组。本发明还涉及一种相对应的塑料构件。

本发明还涉及一种用于通过将至少一种涂层材料涂布到的基材来制造被覆基材的设备。

背景技术：

如今汽车中的合成材料占15至20的重量百分比，其份额在继续增长。此处涉及的部分通常是外部和内部构件，其具有通过漆膜或涂漆而赋予的特定的光学、触觉和功能性能。出于对质量、经济性和资源有效利用的日益增长的需求以及全球范围的竞争压力，要求更加经济的、可持续的并且灵活的涂覆工艺。

这对于减少由塑料制成的附件部件的涂覆步骤数量，例如通过使用无填料(fillerless)油漆系统，带来了日益增长的趋势。消除中间干燥步骤降减少了能量和材料消耗，同时减少了溶剂的排放。并且，涂覆设备在制造区域中需要的空间也更小。

合适的涂覆溶液包括被提供用于诸如装饰条这样的由ABS-PC掺合物(ABS：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯；PC：聚碳酸酯)制成的光滑的、注塑成型的内部部件的涂覆溶液。仅通过一次单层涂布，涂层就能确保优美的高光泽漆面。

迄今为止，汽车工业主要使用水性涂料和包含溶剂的涂料来涂覆塑料部件。包含溶剂的UV双重固化体系也已使用多年。它们有利于获得无光泽表面和金属色，但是不可能使用UV涂层来产生所有金属色。高光泽漆面是利用含有溶剂的UV双重固化清漆来制作的，并且其形成在底部涂层(basecoat)上。近来，越来越多地使用具有钢琴饰面观感的100％UV透明清漆以及2K双重固化系统来涂覆塑料。UV清漆表现出更显著的耐化学性质。不需要对诸如ABS、SAN(苯乙烯丙烯腈)、PS(聚苯乙烯)和ABS/PC(聚碳酸酯)的多种常见塑料基材进行预处理就能获得良好的粘合力值。在其他情况下，通常要通过用火焰或等离子体处理或气相氟化来活化表面，从而提高粘合性能。

利用热和光化辐射的方式的组合固化也称为双重固化。由德国专利申请DE 198 18 735 A1、DE 42 15 070 A1、DE 199 30 665 A1、DE 199 30 067 A1、DE 199 30 664 A1、DE 199 24 674 A1或DE 199 20 799 A1中已知双重固化涂层材料和通过光化辐射，特别是UV辐射而使其固化的方法和装置。它们用于制造涂层，特别是清漆涂层(clearcoat)以及有色和/或带效果的多层涂层系统。尤其是使用UV辐射来进行利用光化辐射的固化。

其中包含的粘结剂组分通常具有不同的官能团，其在合适的条件下大体上彼此独立地交联。通常的现有技术的双重固化系统具有可辐射固化和可热固化的基团，其中在异氰酸酯和羟基用作热交联功能时获得了特别有利的性能。

EP 1 419 015公开了一种由可热固化并且可利用光化辐射固化的涂层材料来制造涂层的方法，其中，A)将涂层材料涂布到涂底漆的或未涂底漆的基材上、或者涂布到位于基材上的未固化的、部分固化的和/或完全固化的涂层上，以及B)将得到的涂层材料的层单独地或者与未固化的和/或部分固化的涂层一起热固化并且利用光化辐射固化，其中，利用光化辐射的固化在贫氧气氛下进行。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一种制造包含聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)或热塑性聚烯烃(TPO)的被覆塑料部件的简化的方法，其中，减少了涂覆步骤的数量和涂覆系统的成本，同时满足了对涂层的质量要求。

本发明的另一目的在于提供一种相对应的涂覆设备和一种具有使用所述方法获得的涂层的塑料构件。

根据本发明，通过以下方法步骤实现上述目的：

a-湿法清洁未处理的基材；

b-涂布第一涂层材料；

c-对涂覆有第一涂层材料的基材的中间干燥或湿碰湿(wet-on-wet)处理；

d-涂布第二涂层材料，该第二涂层材料能够热固化和通过光化辐射固化(双重固化)；

e-加热或干燥被覆基材，其中进行加成聚合(polyaddition)作用；

f-使被覆基材经受光化辐射，从而引发聚合。

鉴于现有技术，出乎意料并且对于本领域技术人员来说不可预见的是，本发明所基于的目的可以借助于本发明的方法来实现。本发明的特殊的优势即是，所提出的方法完全消除了活化基材的步骤。

这不仅在改造或升级现有涂层设备时节省了活化单元的投资成本，而且消除了与活化单元(火焰处理、等离子体处理)相关的防火措施和操作成本。由聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)或热塑性聚烯烃(TPO)制成的塑料基材可以是被填充的或者未被填充的。

由此，可以不经活化而在聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)或热塑性聚烯烃(TPO)的塑料基材上由双重固化、2K或1K系统提供单层、双层或三层结构，从而符合汽车制造商对诸如聚丙烯的内部塑料构件的涂覆要求。

步骤b中的第一涂层材料优选地包含至少一种1K或2K水性底漆(hydro primer)或溶剂型底漆(solvent primer)和/或UV-2K双重固化底漆。

第二涂层材料优选地包含水性清漆(hydro varnish)，理想地至少一种UV-2K双重固化水性清漆。

对PP和TPO的基材的1K或2K溶剂型和/或水性底漆和/或UV/2K双重固化底漆与UV/2K双重固化水性清漆系统的处理组合还可以与ABS、ABS改性PC、PC ABS、PC或者PMMA结合，用于被覆内部构件。不需要用于诸如火焰或等离子体处理的活化单元。

使用UV/2K双重固化水性清漆的方法具有如下优点：能够制造用于被覆内部构件的具有装饰性、柔软和舒适触感的无光泽和高耐刮擦涂层系统。

此外，以该方式被涂覆的塑料构件的另一优点在于其香水耐性，例如对精油这样的物质，以及其柔软的触感特性。

UV/2K水性双重固化清漆涂层与1K或2K溶剂型和水性底漆和/或2K底部涂层和/或UV/2K双重固化水性清漆系统的方法组合也使得能够产生无光泽、半光泽或高光泽表面的各种产品。

根据本发明，基材或塑料的表面在涂布第一涂层材料之前未被活化。

通过火焰处理、分为低压与大气压等离子体的等离子体工艺、以及气相氟化的塑料基材的常规活化主要适用于在活化表面的同时清除少量的有机杂质。该双重作用基于处理中发生的物理和化学反应。以此方式，除了获得干净的表面之外，还使表面张力和/或表面能增加，从而为后续的涂覆处理创造最佳条件。

然而，根据本发明的方法看来，在活化期间施加能量的同时发生塑料表面的弱化，其对于该塑料基材的粘合强度同样是决定性的；然而，迄今为止，这一点在很大程度上被忽略了。活化效应的分析研究通常针对形成的极性官能团的类型和比例以及由此获得的极性，但是忽略了不期望的降解效应。

例如，在易于聚合物降解的PE、PP和TPO材料的情况下，似乎能够在不进行活化的情况下获得水性涂层系统的可靠的粘合强度，而没有由活化引起的潜在聚合物降解的不利影响。

未处理的PP的X射线PES分析(光电子能谱)显示，纯-C-C份额为91.25％，并且没有-COOH份额。在火焰处理和ADP工艺(经由喷嘴的大气压等离子体工艺)中，羧基(-COOH)的比例特别急剧地上升。在2K体系的情况下，已知由固化引起的异氰酸酯副反应在生成缩二脲和脲基团的方向上发生。

这种类型的表面可以用ToF SIMS(二次离子质谱)检测，从而显示出与未处理的PP的差异。然后使用X射线PES和ToF SIMS的联合分析进行表征和校验。

第一涂层材料和/或第二涂层材料优选地含有至少一种UV吸收剂，其有效地使固化的涂层材料免受UV辐射特别是日光的伤害。这充分延缓了暴露于日光的涂层的脆性的发生并延长了涂层的寿命。

第一涂层材料和/或第二涂层材料优选地包含至少一种粘合添加剂或粘结剂，以提高涂层与基材的粘结。例如，粘合添加剂和/或粘结剂可以包含颜料和树脂。

在通过上述方法获得的具有被覆基材的塑料构件中，第一涂层材料层具有10-30μm、优选15μm的厚度，并且/或者第二涂层材料层具有3-20μm，优选15-30μm，更优选25-30μm的厚度。第二涂层材料层优选为3至20μm厚，用于涂覆透明基材，特别是与聚碳酸酯结合。

根据本发明的用于通过将至少一种涂层材料涂布到包含塑料的基材上来制造被覆基材的设备，所述塑料选自由聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、热塑性聚烯烃(TPO)或它们的混合物所组成的组，该设备包括：

洗涤单元，用于未活化基材的碱性湿法清洁；

带有冷却区的下游保水干燥器；

第一涂覆单元，其具有用于涂布第一涂层材料的区域；以及第二涂覆单元，其在所述第一涂覆单元下游，具有用于涂布第二涂层材料的区域，所述第二涂层材料包括至少一种通过热和光化辐射固化(双重固化)的水性清漆，其中中间干燥和/或冷却区布置在所述第一涂覆单元与第二涂覆单元之间；以及

在所述第一和第二涂覆单元下游的具有光化辐射的辐射单元。

所述第一涂覆单元优选地适用于涂布第一涂层材料，所述第一涂层材料含有至少一种1K或2K水性底漆或溶剂型底漆和/或UV-2K双重固化水性底漆。

所述第二涂覆单元优选地适用于涂布第二涂层材料，所述第二涂层材料含有至少一种UV-2K双重固化水性清漆。

中间干燥和/或冷却区优选地配置为20-90℃的干燥温度。

实施例：

涂层结构的实例：

以下实例以表格形式示出了火焰处理和未处理的基材上的、由作为第一涂层材料和底部涂层的水性底漆和/或作为第二涂层材料的保护漆组成的各种涂层结构。涂层通常具有带UV双重固化表面涂层(topcoat)的1K底漆或具有2K表面涂层或UV水性双重固化表面涂层的1K底漆。

然后进行耐刮擦性和霜(cream)影响的技术喷漆试验。

当仅使用1K、2K等水性清漆时，作为基材的未处理的PP展现不足的基底粘附性；在这样的情况下，涂层可以从基材上完全剥离。如果未预处理，含有溶剂的清漆也展现较差的粘附性。这里，横切试验对于未活化的PP上的水性清漆产生了>GT 3-GT 5(非常差的粘附力)的特征值。相反，根据本发明的涂层结构的横切试验产生≤GT1-GT 0(非常好的粘附力)的特征值。

另外，可以考虑包括DSC(差示扫描量热法)、耐刮擦性测试(例如维氏压痕硬度)和诸如IR光谱、X射线PES和ToF SIMS的通用表面分析的分析方法，来表征涂层的粘附性。

UV/2K双重固化表面涂层获得的效果是——对于装饰性、柔和和舒适——用于内部和外部的任何色调，诸如无光泽、半光泽和钢琴黑、钢琴白和高光泽的黑色、米色、红色、银色、铬色、煤灰撞色、钛色等。

UV/2K清漆涂层的光学效果是高光泽、半光泽和无光泽；能够获得常见的颜色。

附图说明

下面参考附图更详细地说明本发明的涂覆设备的各个实施例。

附图中：

图1a、1b示出湿碰湿处理(图1a)或者具有涂底漆之后的中间干燥(图1b)的两种现有技术的工业构件涂覆设备的示意图；

图2示出根据本发明的湿碰湿处理的塑料构件涂覆设备的示意图；

图3示出具有涂底漆之后的中间干燥的塑料构件涂覆设备的示意图；

图4示出用于清漆涂层的湿碰湿处理的塑料构件涂覆设备的示意图；

图5示出用于清漆涂层的具有涂底漆之后的中间干燥的塑料构件涂覆设备的示意图；

附图标记列表

1 湿法清洁

2 吹气区

3 保水干燥器

4 第一冷却区

5 涂覆前的通过区

6 第一涂层室

7 第一闪蒸区

8 干燥器、底漆

9 第二冷却区

10 控制区

11 第二涂层室

12 第二闪蒸区

13 干燥器、清漆

14 第三冷却区

15 出口区

16 UV发射器

17 部件检测/控制

18 部件释出

19 放置在载具上

20 开始/停止

具体实施方式

图1示出湿碰湿处理，即没有在干燥器8中的中间干燥(图1a)，或者具有在第一涂层室6中涂底漆之后的中间干燥(1b)的两种现有技术的用于内部构件的两种现有技术的涂覆设备，所述内部构件由丙烯腈-丁二烯苯乙烯(ABS)共聚物、ABS改性聚碳酸酯(PC)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或它们的混合物制成。

在该通用的处理流程中，根据图1a，在两个步骤中湿碰湿地涂布装饰性软清漆。没有中间干燥，而是仅在20-26℃以及55±5％的相对湿度下进行7-10分钟闪蒸(flash-off)。

在第一涂层室6中，在有或没有中间干燥的情况下涂布底漆作为底部涂层。在第二涂层室11中，涂布2K水性表面涂层用于诸如金属色、银色、铬色等的内饰颜色、装饰性、柔和和效果清漆。

在两种情况下，进行碱性湿法清洁1作为在两个漂洗区中的两个除油区的等同物，并且接着用去离子水漂洗。接着是具有保水干燥器3的吹气区2。传统地，当塑料构件不是由丙烯腈-丁二烯苯乙烯(ABS)共聚物、ABS改性聚碳酸酯(PC)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或它们的混合物制成时，在保水干燥器3的下游设置活化单元(未示出)。接着是通过区5，其在第一涂层室6和第二涂层室11上游。第一冷却区4位于导向第一涂层室6的通过区5之前。

在用于双层结构的常用方法中，现在在第一涂层室6和第二涂层室11中湿碰湿地涂布两层装饰性柔和清漆，其中用于闪蒸的控制区10布置在第一涂层室6与第二涂层室11之间。具有最终清漆干燥器13的闪蒸区12与第二涂层室相连；在干燥器中将完全涂覆的基材在80℃下干燥30分钟。在其通过最终冷却区14之后，已被涂覆的构件到达出口区域15并且接着进入部件检验区域17、部件释出区域18和放置区域19。

在图1b所示的处理流程中，在第一涂层室6中涂底漆之后，两次涂布的装饰性柔和清漆在闪蒸区7的下游的底漆干燥器8中经受中间干燥(1b)。此处同样地，在涂层室之间布置了用于闪蒸的控制区10。带有最终清漆干燥器13的闪蒸区12布置在第二涂层室的下游；在干燥器中将完全涂覆的基材在80℃下干燥30分钟。在其通过最终冷却区14之后，已被涂覆的构件到达出口区域15并且接着进入部件检验区域17、部件释出区域18和放置区域19。

对于PP/TPO基材，在现有技术中，不可能在没有活化的情况下进行直接涂覆。即使使用水性底漆，活化也是必须的。下面描述的涂覆系统代表了一种针对该问题的设备导向的解决方案。

图2示出根据本发明的湿碰湿处理的用于塑料构件，特别是内部构件的涂覆设备的示意图，所述塑料构件包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、热塑性聚烯烃(TPO)或它们的混合物。没有中间干燥8，而是仅在20-26℃以及55±5％的相对湿度下进行7-10分钟闪蒸。

使用未活化的PP和TPO作为基材，可以与ABS、ABS改性、PC ABS、PC或者PMMA结合使用。对于所有的被覆内部构件，在PP和TPO的基材上1K或2K溶剂型底漆和/或水性底漆和/或UV/2K双重固化底漆和UV/2K双重固化水性清漆系统的方法组合还可以与ABS、ABS改性PC、PC ABS、PC或者PMMA结合。不需要诸如使用火焰处理或等离子体处理的工作密集型且昂贵的活化单元。这不仅在改造或升级现有涂层设备时节省了活化单元的投资成本，而且消除了与活化单元(火焰处理、等离子体处理)相关的防火措施和操作成本。

在根据本发明的UV水性双重固化清漆结构的情况下，涂覆处理可以基本上是“湿碰湿”的(图2)或包括在底漆干燥器8中对粘结层的中间干燥(图3)。另外，具有在24-26℃以及55±5％相对湿度下的7-10分钟闪蒸。

与根据图1a和1b的系统相比，现在在第一涂层室6中涂布用于粘结的UV/2K双重固化水性底漆/底部涂层或者2K水性底漆。

在第二涂层室11中涂布UV/2K双重固化-水性底部涂层，用于诸如金属色、银色、铬色的内饰颜色、装饰性、柔和和效果清漆。

除了现有技术中的装置以外，本发明的设备还包括UV发射器16，该UV发射器16优选地布置在最终冷却区14与出口区域15之间的区域中。

从而，根据本发明的用于制造被覆基材的涂覆设备具体区别在于以下的组合：用于未活化基材的碱性湿法清洁1的洗涤单元；其下游的具有冷却区4的保水干燥器3；用于涂布第一涂层材料的第一涂覆单元6和在第一涂覆单元下游的用于涂布第二涂层材料的第二涂覆单元11，该第二涂层材料包括至少一种双重固化水性清漆。中间干燥区7和/闪蒸区8布置在第一涂覆单元和第二涂覆单元之间，并且具有光化辐射的辐射单元16布置在第二涂覆单元11的下游。

图4示出类似于图2的用于清漆涂层的湿碰湿处理的涂覆设备的示意图。

在UV水性双重固化清漆涂层基材的情况下，涂覆处理也可以基本为“湿碰湿”(图4)或者具有粘结层的中间干燥8的双层构造(图5)。此外，在中间干燥8的情况下，同样在24-26℃以及55±5％相对湿度下进行7-10分钟闪蒸。

在第一涂层室6中，以黑色、金属色水性(内饰颜色，装饰、舒适、柔和和效果清漆，诸如金属色、银色、铬色)等涂布用于粘结的UV水性底部涂层。随后在第二涂层室11中涂布诸如无光泽、半光泽和高光泽的UV水性清漆涂层。

铁带电(iron-charged)发射器能够优选为UV/2K双重固化水性底部涂层的UV发射器(装饰性、柔和、舒适无光泽、以及效果和内饰颜色)，并且对于清漆涂层系统，优选汞带电(mercury-charged)UV发射器。