CH660489A5

CH660489A5 - Verfahren und vorrichtung zum aushaerten polymerisierbarer beschichtungsmassen auf nicht textilen substraten.

Info

Publication number: CH660489A5
Application number: CH4176/84A
Authority: CH
Inventors: Bernhard Glaus
Original assignee: Bernhard Glaus
Priority date: 1984-08-31
Filing date: 1984-08-31
Publication date: 1987-04-30
Also published as: DE3529800A1; US4644899A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur UV-Po-lymerisation von Beschichtungsmassen gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 2. Durch UV-Polymerisation werden Beschichtungsmassen wie Lacke, Farben und Spachtelmaterialien gehärtet und getrocknet, die unter ultravioletter Strahlung reagieren. Diese Technik ist bereits seit Jahrzehnten bekannt und wird insbesondere in der Drucktechnik eingesetzt. Die Farbe oder der Lack bleibt bis zur Verarbeitung fliessfahig und kann nach dem Druckvorgang unter dem Einfluss der UV-Strahlen schlagartig verfestigt werden.

Einen Gesamtüberblick über den Stand der Technik der UV-Polymerisation in der Drucktechnik vermittelt der Aufsatz von Wolfgang Grebe «Die UV-Technologie in Druck-und Packstoffveredlung» in der Zeitschrift Papier + Kunststoff-Verarbeiter, Hefte 12/81, 1/82 und 2/82. Als UV-Strah-lenquelle wird in den meisten Fällen eine Mitteldruck-Quecksilber-Bogenröhre verwendet. Die Strahlung einer Quecksilber-Bogenröhre besteht aus ca. 25% sichtbarem Licht, 15 bis 25% UV-Strahlung und ca. 60% wärmeintensiver Infrarotstrahlung. Die Temperatur an der Strahlenquelle kann bis ca. 900° C steigen. Die hohe Temperatur und der grosse Anteil der an sich unerwünschten IR-Strahlung bereiten beim Einsatz der UV-Polymerisation oft Probleme.

Bei zu lange einwirkender Strahlung kann das Substrat durch die IR-Strahlung beschädigt und im Extremfall sogar bis zur Selbstzündung überhitzt werden. Eine bestimmte minimale Verweilzeit unter der UV-Strahlung kann jedoch zur Erreichung einer vollständigen Trocknung und Aushärtung nicht unterschritten werden. Insbesondere bei wärmeempfindlichen Substraten als Druckträger wie Folien, Verpackungen aus Kunststoff wie z.B. Joghurt-Bechern usw., führen überhöhte Temperaturen sofort zu einer Deformation und damit zu einer bleibenden Beschädigung. Aber auch Papiere oder Karton können als Folge der Überhitzung durch die Schrumpfung oder Blasenbildung beschädigt werden.

Zur Lösung des Problems wurde bereits vorgeschlagen, den IR-Anteil der Strahlung mit einer Quarzscheibe heraus-zufiltern. Ein derartiger Strahlenfilter ergibt, jedoch am Substrat selbst nur eine relativ geringe Temperatursenkung. Dagegen führt der Filter auch zu einem Verlust an UV-Strah-lung, was unerwünscht ist. Auch die Wärmeabfuhr ist beim Strahlenfilter problematisch.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei denen das Substrat möglichst nur vom UV-Anteil der Strahlung und ggf. von einem gewünschten Restanteil von IR-Strahlen beaufschlagt wird, und bei denen der gröss-te Teil der wärmeintensiven IR-Strahlung auf einfachste Weise vom Substrat ferngehalten und deren Wärme problemlos abgeführt werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zu schaffen, welche den Betriebsbedingungen einer der Polymerisierungsvor-richtung vor- oder nachgeschalteten Bearbeitungsstation auf optimale Weise angepasst werden kann. Diese Aufgabe wird in verfahrensmässiger Hinsicht durch eine Verfahren mit den Merkmalen im Kennzeichnen von Anspruch 1 und in vor-richtungsmässiger Hinsicht durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Kennzeichen von Anspruch 2 gelöst.

Die Umlenkung der UV-Strahlung durch einen teilweise durchlässigen Spiegel ermöglicht eine Eliminierung der auf das Substrat auftreffenden Wärmestrahlung bis zu 90%. Die IR-Strahlung wird nicht wie bei einem Strahlenfilter absorbiert oder abgelenkt, sondern passiert den Spiegel geradlinig. Auf dem Substrat treffen ausschliesslich umgelenkte Strahlen auf, so dass nicht nur die von der Reflektoreinrichtung gebündelte und reflektierte Strahlung, sondern auch die direkte Strahlung von der Strahlenquelle im IR-Anteil reduziert wird. Es ist nämlich bereits bekannt, Reflektoreinrichtungen einzusetzen, die den IR-Anteil der reflektierten Strahlung bereits reduzieren. Derartige Reflektoreinrichtungen können den Wirkungsgrad einer erfindungsgemässen Vorrichtung noch verbessern.

Wenn der Spiegel verschwenkbar im Strahlenbündel der UV-Strahlenquelle angeordnet ist, lässt sich mit dem Spiegel die Strahlungsrichtung und ggf. die mit dem Strahlenbündel beaufschlagbare Oberfläche justieren, ohne dass an der äusserst empfinglichen und heissen Strahlenquelle manipuliert werden muss. Wenn der Spiegel in einem Winkel von 45° zur optischen Achse des Strahlenbündels angeordnet ist und wenn er zum Weglenken des Strahlenbündels vom Substrat um 90° verschwenkbar ist, kann beispielsweise bei einer Betriebsunterbrechung die Strahlung schnell und einfach weggelenkt werden. Der Strahlengang der wärmeintensiven IR-Strahlung wird dabei nicht beeinflusst und verläuft nach wie vor geradlinig. Eine Abbiendung der Strahlung durch sogenannte Shutters ist nicht mehr erforderlich. Die Drehbewegung des Spiegels lässt sich ausserdem auf einfachste Weise mit einer Servolenkung steuern, welche den Spiegel weg2

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dreht, sobald eine Betiebsstörung oder ein Beriebsunterbruch der Anlage eintritt.

Die Wärme wird vorteilhaft dadurch abgeführt, dass hinter dem Spiegel im Strahlengang der den Spiegel durchdringenden wärmereicheren Strahlen eine Kühlvorrichtung ange- 5 ordnet ist. Bei grösseren Anlagen ist oft eine gedrängte Bauweise unumgänglich, so das die IR-Strahlung nicht unkontrolliert abgestrahlt werden kann. Eine Kühlvorrichtung kann beispielsweise aus einer mit Kühlrippen versehenen Gehäusewand bestehen, welche von einem Luftstrom überstri- 10 chen wird oder welche die Wärme an eine Kühlflüssigkeit abgibt.

Eine besonders geringe Erwärmung des Substrats kann erreicht werden, wenn in dem vom ersten Spiegel reflektierten Strahlenbündel ein zweiter die Strahlen selektionierender 15 Spiegel angeordnet ist, der die UV-Strahlen auf das Substrat richtet, während der noch verbleibende Rest wärmereicherer Strahlen den zweiten Spiegel geradlinig durchdringt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend genauer be- 20 schrieben. Es zeigen:

Figur 1 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung mit einem Spiegel und

Figur 2 eine Ausführungsform mit zwei Spiegeln in sche-matischer Darstellung. 25

Wie in Figur 1 dargestellt werden die Strahlen einer UV-Strahlenquelle 2 mit Hilfe eines Reflektors 4 gebündelt, wobei das abgestrahlte Strahlenbündel A das gesamte Emissionsspektrum des Strahlers aufweist. Die Strahlen A treffen auf einen halbdurchlässigen Spiegel 3 auf, der die Strahlen 30 selektioniert. Der wärmereichere Anteil von IR-Strahlen B durchdringt den Spiegel geradlinig. Dagegen werden die UV-Strahlen C durch den Spiegel auf das Substrat 1 gelenkt. Teildurchlässige Spiegel dieser Art sind für andere Zwecke an sich bereits bekannt und gebräuchlich. Sie weisen auf der 35 Oberfläche mehrere dünne Schichten von Metalloxiden mit dielektrischen Eigenschaften auf. Die Beschichtung bzw. die Durchlässigkeit des Spiegel kann so gewählt werden, dass je nach Anwendungszweck ein Restanteil IR-Strahlung in der gewünschten Intensität auf das Substrat auftrifft. 40

Die beschichteten Substrate 1, wie z.B. Joghurt-Becher, werden in Pfeilrichtung X taktweise oder kontinuierlich am Strahlenbündel C vorbeigeführt. Die optische Achse 9 des UV-Strahlenbündels wird durch den Spiegel 3 vorzugsweise um 90° umgelenkt. Selbstverständlich ist es jedoch auch 45

denkbar, einen anderen Umlenkwinkel zu wählen. So wäre es beispielsweise möglich, zwei Vorrichtungen derart nebeneinander anzuordnen, dass sich die UV-Strahlenbündel jeder Vorrichtung am Substrat überlagern. Bei einer derartigen Anordnung wäre ersichtlicherweise ein anderer Umlenkwinkel erforderlich.

Strahlenquelle 2, Reflektor 4 und Spiegel 3 sind vorzugsweise in einem Gehäuse 5 untergebracht. Im Strahlengang der wärmeintensiven IR-Strahlen B sind Kühlrippen 6 direkt in die Gehäusewand integriert. Das Gehäuse 5 wird innen und/oder aussen durch einen Luftstrom gekühlt. Für die Absorption der IR-Strahlen könnte selbstverständlich jede beliebige Kühleinrichtung wie z.B. von einer Kühlflüssigkeit durchströmte Kühlschlangen oder dergleichen eingesetzt werden.

Der Spiegel 3 ist im Gehäuse 5 um eine Schwenkachse 7 schwenkbar gelagert. Soll beispielsweise bei einer Betriebsunterbrechung oder bei Wartungsarbeiten das möglicherweise stillstehende Substrat 1 nicht mehr bestrahlt werden, so kann der Spiegel 3 um 90° verschwenkt werden, so dass er die als strichpunktierte Linie dargestellte Position einnimmt. Bei dieser Position wird das UV-reiche Strahlenbündel C ersichtlicherweise um 180° umgelenkt, so dass es auf die Gehäusewand 5 auftrifft. Vorzugsweise wird dabei zusätzlich auch noch die Strahlenquelle auf Halblast geschaltet. Ein völliges Abschalten der Strahlenquelle ist nicht vorteilhaft, da eine Quecksilber-Bogenröhre bekanntlich zuerst abgekühlt werden muss, bevor sie wieder gezündet werden kann. Die Schwenkvorrichtung des Spiegels lässt sich beispielsweise mit einer Servosteuerung kombinieren, so dass bei Betriebsstörungen das Strahlenbündel C automatisch umgelenkt wird.

Bereits mit einer einmaligen Spiegelung können ausgezeichnete Resultate erzielt werden. Substrattemperaturen von 70 bis 80 °C ohne Spiegelung bei einer Verweilzeit von unter einer Sekunde können mit Spiegelung auf ca. 30 C reduziert werden. Eine zusätzliche Verbesserung des Wirkungsgrades lässt sich erreichen, wenn eine doppelte Spiegelung erfolgt, wie dies in Figur 2 schematisch dargestellt ist.

Das mit dem ersten Spiegel 3 abgespaltene UV-Strahlenbündel C trifft auf einen zweiten Spiegel 8, welcher den Restanteil der IR-Strahlung passieren lässt und die UV-Strahlung als Strahlenbündel E wiederum abstrahlt. Auch bei der Anordnung mit zwei Spiegeln müssen die optischen Achsen ersichtlicherweise nicht unbedingt um jeweils 90° abgelenkt werden.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Verfahren zum Aushärten polymerisierbarer Beschich-tungsmassen auf einem nicht textilen Substrat (1), bei dem das beschichtete Substrat taktweise oder kontinuierlich an wenigsten einer Ultraviolett-Strahlenquelle (2) vorbeigeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlen der UV-Strahlenquelle derart über einen die Strahlen selektionieren-den Spiegel (3) auf das Substrat (1) gerichtet werden, dass das Substrat ausschliesslich von umgelenkten UV-Strahlen beaufschlagt wird, wobei der wärmereichere Anteil der Strahlen den Spiegel geradlinig durchdringt.

2. Vorrichtung zum Aushärten polymerisierbarer Be-schichtungsmassen auf einem nicht textilen Substrat (1), mit wenigstens einer Ultraviolett-Strahlenquelle (2) und mit einem Reflektorsystem (4) zum Bündeln der Strahlen, dadurch gekennzeichnet, dass in dem von der UV-Strahlenquelle emittierten Strahlenbündel ein die Strahlen selektionierender Spiegel derart angeordnet ist, dass er den grössten Teil der UV-Strahlen (C) auf das Substrat (1) zu richten vermag und der wärmereichere Anteil der Strahlen (B) den Spiegel (3) geradlinig zu druchdringen vermag.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (3) verschwenkbar im Strahlenbündel der UV-Strahlenquelle angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (3) in einem Winkel von 45° zur optischen Achse (9) des Strahlenbündels angeordnet ist und dass er zum Weglenken des Strahlenbündels vom Substrat (1) um 90° verschwenkbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass hinter dem Spiegel (3) im Strahlengang der den Spiegel durchdringenden wärmereicheren Strahlen (B) eine Kühlvorrichtung (6) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem vom ersten Spiegel (3) reflektierenden Strahlenbündel (C) ein zweiter die Strahlen selektionierender Spiegel (8) derart angeordnet ist, dass er den grössten Teil der noch verbleibenden UV-Strahlen auf das Substrat zu richten vermag und der noch verbleibende Rest wärmereicherer Strahlen (D) den zweiten Spiegel geradlinig zu durchdringen vermag.