Pulverbeschichtung Umfassende Charakterisierung des Pulverbeschichtungsprozesses

Pulver und Pulverlackierungen sind in zahlreichen industriellen Anwendungen weit verbreitet. Dabei hängt der Prozess der Pulverbeschichtung wesentlich von den Materialeigenschaften von Pulver und Lack ab. Deren umfassende Charakterisierung ist also unerlässlich für einen einwandfreien Prozess.

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Anton Paar Germany GmbH

NETZSCH-Gerätebau GmbH

PCE Deutschland GmbH

Beschichtungsverfahren mit Pulver oder Pulverlackierungen kommen immer häufiger in industriellen Anwendungen zum Einsatz. Das Pulver wird dabei auf das zu beschichtende Werkstück aufgesprüht, wo es anschließend durch definierte Temperaturführung eingebrannt wird. Dabei verflüssigt sich das Material zunächst, verläuft auf der Subst­ratoberfläche, bis es schließlich zu einer widerstandsfähigen Lackschicht vernetzt.

Zu einer umfassenden Charakterisierung des Pulverlacks ist es daher nötig, sowohl das Pulver als auch den Prozess des Aufschmelzens bzw. Vernetzens und die damit erhaltene Lackschicht mechanisch zu charakterisieren. Aufgrund der Vielseitigkeit und Modularität der Rheometer der MCR-Serie von Anton Paar kann der gesamte Pulverbeschichtungsprozess beginnend mit dem Pulver bis hin zu den tribologischen Eigenschaften der Lackschicht vermessen werden.

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Im Folgenden werden die unterschiedlichen Messtechniken und grundlegenden Ergebnisse am Beispiel eines Pulverlacksystems mit zwei unterschiedlichen Farbpigmenten, rot und grau, vorgestellt.

Förderung und Applikation des Pulvers

Die Förderung des Pulvers im Prozess bzw. vom Behälter hin zur Aufbringung auf das Werkstück erfolgt mittels pneumatischen Transports. Dabei wird das Pulver fluidisiert, d.h. mit Luft vermischt und in Bewegung versetzt. Aus diesem Wirbelbett wird das Pulver durch den Prozess hin zur Verarbeitungsstelle transportiert. Der letzte Schritt, die Applikation des Pulvers auf das Werkstück, erfolgt schließlich meist über eine Spritzdüse, durch die das fluidisierte Pulver einer hohen Scherung ausgesetzt wird.

Für den Transportprozess und die Verarbeitung des Pulverlacks ist somit die genaue Kenntnis der Fluidisierungs- sowie der Fließeigenschaften nötig. Diese werden durch eine Vielzahl von Faktoren beeinflusst, wie z.B. Partikelgröße und -form, chemische Struktur, Feuchtigkeit, Temperatur oder statische Aufladung.

Diese Transportschritte können in einer rheologischen Charakterisierung des Pulvers nachgestellt und die Materialien dadurch optimiert werden. Die neu entwickelte Pulvermesszelle ist dabei eine modulare Erweiterung der bekannten MCR-Serie von Anton Paar und kann in nur wenigen Handgriffen auf das Rheometer montiert werden. Die Staubschutzabdeckung der Messzelle erlaubt dabei eine rheologische Charakterisierung des Pulvers im fluidisierten Zustand, ohne dass Pulver aus der Kammer austreten kann. Gleichzeitig stehen für die Messung die Genauigkeit und die Messmethoden eines modernen, luftgelagerten Rheometers zur Verfügung.

Um Einblick in das Belüftungsverhalten des Pulvers während des pneumatischen Transports zu erhalten, kann über einen Drucksensor in der Kammer analysiert werden, wie sich das Wirbelbett verhält und welche Luftmengen (oder auch Luftgeschwindigkeiten) notwendig sind, um das Pulver in einen fluidisierten Zustand zu versetzen. Bei dieser so genannten Pressure-Drop-Methode misst man den Druckanstieg während des Fluidisierungsprozesses. Dazu wird durch den porösen Boden der Kammer kontrolliert Luft eingeblasen. Solange das Pulver noch nicht fluidisiert, erzeugt das Pulverbett durch Gravitation und Kohäsion einen Gegendruck, der Druck in der Kammer steigt damit an. Wird der Lufteintrag weiter gesteigert, kommt es zu einer beginnenden Fluidisierung: Der Druck weist ein pulverspezifisches, lokales Maximum auf. Der Punkt der vollen Fluidisierung ist erreicht, wenn der Gegendruck nicht mehr ansteigt, obwohl die Durchflussrate weiter erhöht wird. In Abbildung 2 ist das Ergebnis dieser Messung für beide Pulverlacke gezeigt. Das rote Pulver fluidisiert etwas früher als das graue. Die volle Fluidisierung ist hier schon bei etwa 2,75 l/min erreicht, während für das graue Pulver etwa 3,25 l/min benötigt werden.

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