CN100591429C - 在受控气氛中进行紫外线交联的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种设备，在该设备中，在存在具有受控残余氧含量的气体混合物的情况下，通过紫外线辐射或通过电子束进行使涂层例如油墨或清漆涂层进行交联的操作。所述设备包括室，该室具有进行交联操作所必需的一个或多个紫外线灯或者一加速电子源，其特征在于，所述设备包括入口装置，该入口装置与所述室相邻并且包括通过移动以便进行处理的产品可依次看到的至少以下三个组件：迷宫系统、用于注射形成气刀的惰性气体的装置和通道。

Description

在受控气氛中进行紫外线交联的设备
技术领域
本发明涉及在其中进行要求控制室内气氛的操作的设备，并且尤其涉及在存在受控气氛的情况下通过紫外线辐射(UV固化)或者通过电子束使涂层(例如油墨或清漆涂层)交联的操作领域，所述受控气氛通常为惰性气体混合物，例如基于氮、CO2、氩等的气体，或者这类气体的混合物。
背景技术
应该重申的是，可通过紫外线(UV)辐射或电子束(EB)固化(交联)的转化产品如粘合剂、保护清漆、漆、(油)墨和油漆当前广泛地用于印刷和表面上漆中。这是因为，与基于有机溶剂和水性溶剂的常规产品相比，这些产品从技术观点(快速交联、材料收缩少、最终产品的质量好并且印刷板易于清洗)和环保观点(100％固体含量树脂和更低的能耗)来看都具有优点。
由于交联步骤必须每天24小时连续地以工业规模进行，所以具有一个或多个紫外线灯的室为一开放系统。因此，在由紫外线灯照射的区域中进行的交联过程是在大气中进行。这一步骤根据应用以10至几百m/min的运行速度在工业设备中进行。
大多数通过紫外线辐射交联的产品为自由基系统。除了基本化学成分例如预聚物、活性稀释剂和添加剂之外，配方还包含光敏引发剂(PA)。在UV的作用下，这种光敏引发剂生成自由基(步骤a)，该自由基将根据下文方案1中所述的各个步骤引发自由基聚合反应。自由基(R*)与预聚物的以及稀释剂的反应官能团(M)反应，并且引发聚合反应(步骤b)。由于预聚物和稀释剂两者中都包含有反应官能团，所以聚合反应的增长(步骤c)在三维中发展。按照这种方式，聚合物链的终止(步骤d)将导致高度交联的聚合物网络(R(M)n)。
Figure C20058000335500051
方案1：紫外线树脂自由基光聚合反应
目前，工业用紫外线设备在开放系统中操作，并且这些自由基光聚合反应在大气中进行。现在，交联工艺中涉及的所有自由基(R*、RM*和R(M)n *)对于空气中的氧都具有高反应性。这些自由基与氧反应形成过氧化物(RO2 *)和氢过氧化物(ROOH)，从而降低了自由基光聚合反应的效率(参见下文方案2)。氧干扰上述化学过程的各个阶段，其效果是减少自由基的数量(步骤a)，阻止聚合的引发(步骤b)并且过早地终止聚合物链的形成(步骤d)。
由于一开始就存在于配方中的氧以及在紫外线照射期间通过紫外线树脂的薄膜扩散的大气中的氧而发生这些现象。氧由此能够减慢甚至完全抑制自由基聚合反应。当紫外线树脂层的厚度较小时，氧的抑制效应就更加显著。
Figure C20058000335500052
方案2：O2抑制反应(DH为稀释剂或预聚物)
这些现象的实际结果是：
-紫外线涂层不发生聚合；
-形成短链，由此形成质量低下的油墨、粘合剂或清漆薄膜；
-形成质量降低的不稳定的低聚物(例如，外观、气味、食物与基底接触时的健康问题)；以及
-形成部分地造成产品发黄的过氧化物(RO2 *)和氢过氧化物(RO2H)。
由此可以很好地理解用于对树脂进行紫外线交联的室内部的气氛组分——更具体地，在紫外线区域中不存在氧——的重要性。因此，对于某些应用，必须配备能够显著减少紫外线室内部——更具体地，进行自由基光聚合反应的区域中——的氧浓度的设备。这种设备应当允许优化固化紫外线树脂的步骤。
可以列出许多用于补救在紫外线树脂交联时与氧的存在有关的缺点的已有解决方案。
第一种解决方案是增加紫外线灯的强度以便增加自由基的产量(根据方案1，反应(a))。这些以较大数量生成的自由基与反应区中存在的氧反应，减少室内的氧浓度，并由此降低氧的抑制效应。
这种解决方案尽管易于实现，但是导致耗电较高，由此导致不可忽略的额外的能量消耗，因为所使用的灯的功率通常约为20kW。此外，增加灯的强度将会提高室(反应区)内的温度，由此涂层有热降解的危险。
第二种解决方案是将大量的光敏引发剂和分子(增效剂)引入配方中，其作用是与反应区中存在的氧反应并由此将其除去。即使这些产品日益有效，但是据估计，在当前的配方中，80％的光敏引发剂和增效剂与氧反应并由此去除氧，而剩余的20％用于交联紫外线树脂。
然而，这些化学物质构成了配方中最昂贵的部分，此外，它们可能有害，并且使用它们可能引起交联的树脂发黄并且气味很强。
最后，第三种解决方案是除去存在于反应区中的残余氧并且利用惰性气体例如氮代替这些氧。这种解决方案意味着必须对室——发生树脂交联的开放系统——进行改动，并且配备用于在受控惰性气氛中操作的装置。
树脂在受控氮气氛中的紫外线交联具有许多优点，因为紫外线区域中没有氧使得可以增加交联速度，减小紫外线灯的光强度或者所使用的紫外线灯的数量，减少引入配方中的光敏引发剂和增效剂的数量，以及减少副产品(例如过氧化物和氢过氧化物)的形成，而仍然能够获得很高质量的最终产品。
此外，应当指出，在惰性气氛中的这种工作条件具有限制在室中形成臭氧的优点。
例如，文献WO 00/14468提出了用于在反应区中的残余氧为大约50ppm、速度达到每分钟几百米的情况下操作的设备。这种设备的特征在于，存在放置于紫外线室的入口和出口处的两个气体注射单元。这些单元中的每一个单元包括两个气体注射系统。放置于室的端部处的第一注射系统具有防止任何空气进入室的功能，而放置于室内的第二注射系统具有向室内填充氮的功能。第一注射系统是定向为使得气流被导向室外部的狭槽。第二注射系统是定向为使得气流被导向室内部的带孔管。狭槽宽度和这两个注射系统的定向角度可以改变并且取决于操作条件。
然而，在所用速度下操作时，对于低残余氧浓度所需的气体体积非常大(或者甚至非常可观)。例如，在200m/min下，对于低于50ppm的浓度来说，氮的量必须为140标准立方米每小时。此外，在工作区域将大量氮排放至紫外线室外部需要有效的抽取系统，以避免任何由于缺氧而窒息的危险。
还可以指出，申请人已在文献WO 02/40738中提出了用于在需要控制室内气氛的操作期间控制和管理气体的设备。该现有技术文献所指的操作尤其是在存在气体混合物并在受控气氛中在大气压力下进行的放电表面处理，或者紫外线固化和EB固化类型的操作。根据该现有技术成果，所推荐的设备包括：
-与室相邻的入口和出口装置，以用于分别防止空气进入室并防止废气从室排出；
-抽取装置，其包括一通向室内的管路；以及
-用于调节通过所述抽取装置抽取的气体的流动以便在室内部和周围大气之间保持大约零压力差的装置。
入口和出口装置中的每一个装置都典型地包括(参见下文图1；读者还可参考所述文献WO 02/40738的图2)三个串联地布置并且通过被处理的基底依次看到的组件，即通道、气体注射狭槽和“迷宫”。“迷宫”的概念在该现有技术文献中进行了详细说明，并且实际上涉及开口凹槽系统，所述开口凹槽朝向所述入口(或出口)装置的内部空间(间隙)(待处理的基底穿过该间隙)并且形成迷宫。
通过隔板与气体注射狭槽分开的通道朝向所述入口或出口装置的内部空间开口。
通过狭槽注射的气体(氮)容许在薄膜表面上产生的空气边界层分离。这是因为迷宫通过在薄膜运行的方向产生过压区域(大的压降)而迫使氮朝上游流动，即流入通道中。通道中较低的压降促进了这种现象的发生。通道中的这种紊流在薄膜表面产生了略微负压的区域，该负压使位于薄膜表面的空气边界层分离。然后，通道中的氮流变为层流并且形成对抗空气流并将其推回的活塞效应。这三个元件(通道、氮刀、迷宫)的组合使得能够在入口处防止空气进入室，同时使氮的消耗最小。放置在出口处的相同的迷宫密封使得能够防止废气离开室。
这种设备证明相当有效，因为它容许在可接受的氮体积下，在氧浓度不超过50ppm的情况下进行薄膜表面处理。
当然已经设想过在通过紫外线辐射交联涂层期间使用这种现有设备来减小氧浓度。然而，很显然，至少由于以下原因，这种设备并非为了满足这一技术目标而优化：首先，紫外线交联方法不包括表面处理，因此并不需要将氮基处理气体注入室中。其次，在紫外线区域中不形成有害的废气，不需要使用中央抽取系统来去除它们，因此，这种设备中通常没有所述抽取系统。
因此，显然，为了应对这种新的技术问题，需要对这种现有的设备做出相当的改进。
作为示例，在下面给定的条件下，在图1所示类型的工业样机上进行了控制气氛的试验。在下文中，体积都将表示为每平方米被处理基底的标准升数(而并不象常规那样以m3/h为单位)。这非常有利于比较不同宽度的机器。
因此，采用的操作条件如下：
-存在基于上文针对图1所述的三种组件(通道、注射狭槽和迷宫)的入口/出口装置；
-没有处理气体注入室中；以及
-中央抽取系统停止运转，压力调节系统也停止运转。
在这种操作条件下，试验是在700mm宽的产品以50至250m/min之间的速度运行的情况下，通过将大约1.4标准升每平方米的氮注入每个入口/出口装置中，在室内部并在离滚筒表面大约0.8mm处测量氧浓度。测量结果表明，氧浓度依赖于所用的速度而介于6000和8000ppm之间(这些结果在下文图4中示出)。通过使用较高的氮体积(每个入口/出口装置中3.25标准升每平方米)，可以将该浓度降低至大约3000ppm。
结果清楚地表明，使用这些现有设备没有达到对于许多所设想的应用而言足够低的残余氧浓度。尤其可见，即使已经消除了通过中央抽取产生的室内减压，在所测试的操作条件(特别是运行速度)下，这些系统的性能仍然不够。
可以提出的一种假设是，这种结果可以通过没有将处理气体混合物注入室中来解释，向室中注射处理气体混合物有助于实现较低的氧浓度，而为了进行这些试验，已经停止了处理气体混合物的注入(非常合逻辑，因为这里预期的应用是紫外线交联应用)。
发明内容
因此，本发明的目的是提出新的紫外线或电子束交联设备，该设备的设计允许显著地降低室内的氧浓度。
根据本发明的设备基于使用两种装置，室入口装置和室出口装置(参见下文图2)：
-入口装置包括通过待处理的运行中的产品可依次看到的至少以下三个组件：迷宫系统、气体注射狭槽和通道；
-室出口装置有利地包括通过待处理的运行中的产品可依次看到的至少以下三个组件：通道、气体注射狭槽和迷宫系统。
作为示例，尤其认为以下几何尺寸令人满意：
-迷宫凹槽的高度：4.5mm；
-迷宫齿的宽度：2mm；
-迷宫凹槽的宽度：5mm；
-通道的高度：3mm；以及
-通道的长度：38mm。
通道的长度优选地满足以下规则：
-长度≈6×通道的高度。
通道的高度有利地在3至5mm之间。
在这种构型(组件的布置和几何形状)中，可认为室入口装置具有两种功能：由于入口迷宫产生的压降，注入的氮有被引向交联室内部的倾向，并且用于非常显著地使进入该室的空气最小化。这同样适用于室出口装置，其容许将氮引向室内并限制气体排放至外部。
在上述内容中，应当强调的是，入口装置发挥关键作用，而对于出口装置，即使将被关闭或者对于某些需求较低的应用至少将其结构简化(下文中将会看到)，也强烈建议设置出口装置以便在最佳的气氛条件下工作。
因此，本发明涉及一种设备，在该设备中，在存在具有受控残余氧含量的气体混合物的情况下，通过紫外线辐射或通过电子束进行使涂层例如油墨或清漆涂层交联的操作，所述设备包括一室，该室具有进行交联操作所必需的一个或多个紫外线灯或者一加速电子源，其特征在于，该设备包括入口装置，该入口装置与所述室相邻并且包括通过待处理的运行中的产品可依次看到的至少以下三个组件：迷宫系统、用于注射形成气刀的惰性气体的装置以及通道。
此外，根据本发明的设备可具有一个或多个以下特征：
-所述设备包括出口装置，该出口装置与室相邻并且包括通过待处理的运行中的产品可依次看到的至少以下三个组件：通道(“输出通道”)、用于注射形成气刀的惰性气体的装置、以及用于产生压降的装置例如光滑型面件(profilé)，该光滑型面件与涂层表面之间的距离小于所述通道的高度；
-所述设备包括出口装置，该出口装置与室相邻并且包括通过待处理的运行中的产品可依次看到的至少以下三个组件：通道、用于注射形成气刀的惰性气体的装置以及迷宫系统；
-所述入口装置包括通过待处理的运行中的产品可依次看到的至少以下五个组件：通道、第一气体注射狭槽、迷宫、第二气体注射狭槽以及接着的第二通道；
-所述用于注射形成气刀的惰性气体的装置包括形成于所述入口或出口装置内的带平面壁的气体注射狭槽；以及
-所述通道中至少一个通道的长度/高度比至少为3，优选地至少为6。
根据本发明的“迷宫”和“通道”的概念是指同样以申请人的名义(提交)的上述现有技术文献WO 02/40738中已经使用过的“迷宫”和“通道”的概念。
因此，如下文图中清楚地示出的，“迷宫”概念涉及朝向所述入口或出口装置的内部空间并且形成迷宫的开口凹槽系统。
附图说明
图1示出入口/出口装置；
图2示出入口/出口系统；
图3示出在包括有图2所示入口/出口系统的根据本发明的设备上进行的试验结果；
图4示出利用设置有根据图1的入口和出口装置的现有技术的设备所获得的试验结果；
图5示出在图3的情况下所获得的结果与在图4的情况下所获得的结果的比较；
图6示出根据本发明的设备的另一种构型中的室入口装置；
图7示出根据本发明的设备的另一种构型中的室出口装置。
具体实施方式
下文图3示出了在包括有针对图2所述的入口/出口系统的根据本发明的设备上进行的试验的结果，这些试验是在速度介于50至250m/min之间并且氮以大约1.4至3.25标准升每平方米(图中使用的缩写Nl/m2必须理解为实际上表示每平方米被处理基底的标准升数)注入每个入口/出口装置的情况下，在室内离处理滚筒大约5mm处测量氧含量。
在图3中，可注意到存在三条曲线：
-带◆的曲线表示大约2.8标准升每平方米的总体积(入口+出口)；
-带■的曲线表示大约4.64标准升每平方米的总体积(入口+出口)；
-带▲的曲线表示大约6.5标准升每平方米的总体积(入口+出口)。
测量结果表明，氧含量依赖于所采用的速度和氮流量条件在从大约34到380ppm之间变化。
这些试验显示，在可接受的气体消耗条件下，在根据本发明的设备的室中获得了包含有少于50ppm残余氧的惰性氮气氛，因为气体消耗介于4.6和6.5标准升每平方米之间。
这种对上述已有解决方案的改进非常显著。
由此，图4示出了上文已经提及的结果，例如利用设置有根据图1的入口和出口装置的现有技术的设备所获得的结果。
在图4中，可注意到存在三条曲线：
-带◆的曲线表示大约2.8标准升每平方米的总体积(入口+出口)；
-带■的曲线表示大约4.6标准升每平方米的总体积(入口+出口)；
-带▲的曲线表示大约6.5标准升每平方米的总体积(入口+出口)。
如上文所述，这些测量结果表明，对于2.8标准升每平方米的总体积而言，氧浓度依赖于所使用的速度而介于6000和8000ppm之间。使用较高的氮体积(每个入口/出口装置中3.25标准升每平方米，即6.5标准升每平方米的总体积)可容许该浓度降低至大约3000ppm。
图5示出了在图3情况下所获得的结果与在图4情况下所获得的结果的比较。在y轴上绘出的是由于根据本发明的设备而达到的氧含量的减少(％)。
用百分比表示的氧含量减少dO2/O2通过以下等式定义：
     dO2/O2＝(([O2]图4-[O2]图3)/[O2]图4)×100
由此可见，对于相同的速度和氮体积参数，室中的残余氧含量至少减少94％。在较高体积的情况下，(减少)甚至达到98％至99％。
图6和7示出了根据本发明的设备的另一种构型。
在这种构型中，改动了室入口装置(在图6中示出)——这里，室入口装置包括五个组件，依次为：通道、第一气体注射狭槽、迷宫、第二气体注射狭槽、接着的另一通道。
关于室出口装置(图7)，与图2中的出口装置相同，也包括三个相继的组件，即通道、氮注射狭槽、接着的迷宫。
在所示实施例的情况下，氮注射狭槽相对于滚筒的定向在入口装置的第一狭槽的情况下大约为90°，而在入口装置的第二狭槽的情况下大约为45°。狭槽宽度分别为第一狭槽大约0.2mm，第二狭槽大约0.4mm。入口装置和滚筒之间的距离大约为0.8mm。
出口装置的氮注射狭槽的定向为相对于滚筒大约90°，其宽度大约为0.3mm。出口装置和支承滚筒之间的距离大约为0.8mm。
该实施例所示构型使得位于薄膜表面处的空气边界层的分离更加有效(与先前结合图2所述的构型相比)，因此更能保证输送至薄膜表面的空气不会进入处理室。
事实上，图6的入口装置可以认为是图1和图2的入口装置的结合：
-第一注射狭槽由于位于迷宫上游，所以倾向于将气体导向上游，并由此抑制空气的进入；
-第二注射狭槽由于位于迷宫下游，所以倾向于将气体导向下游，并由此向室中填充气体。
为了测量后一个实施例的有效性，进行了控制室内气氛的试验，所述室配备有例如结合图6和7所示的入口/出口装置。结果在下面表1中给出。
  薄膜速度(m/min)   100   150   200   250
  狭槽1氮流量(标准立方米每小时)   10   10   10   10
  狭槽2氮流量(标准立方米每小时)   10   10   10   10
  狭槽3氮流量(标准立方米每小时)   25   35   50   62
  总流量(标准立方米每小时)   45   55   70   82
  总体积(标准升每平方米)   5.8   4.7   4.5   4.2
  总O<sub>2</sub>含量(ppm)   39   34   32   26
狭槽1和2对应于入口装置的狭槽，而狭槽3对应于出口装置的狭槽。
在该表中可注意到，(表中)示出了以(常规的)标准立方米每小时为单位的流量和以每平方米被处理薄膜的标准升数为单位的体积，以便能够继续与较早给出的结果进行比较。
结果表明，由于图6和图7的设备，不管速度如何，在氮的总体积介于4.2至5.8标准升每平方米之间(由此通常少于图2所示实施例中所需的体积)的情况下，可以在包含有少于40ppm氧的惰性氮气氛中进行紫外线辐射处理。
在上文中，尤其通过使用氮的示例举例说明了本发明，但是应当指出，在任何时候都不脱离本发明的范围的情况下，也可以使用其它气体或气体混合物，特别是氩、CO2、氦或者其混合物。
甚至可以指出优选使用CO2或包含CO2的混合物，因为已经发现，当使用CO2(与氮相比)时：
-用于在室中的残余氧含量方面相同性能的气体体积可以减少；
-对于相同的气体体积，室中包含的残余氧含量减少。
这种结果可能是因为CO2的密度高于氮的密度。

Claims (8)

1.一种设备，在该设备中，在存在具有受控残余氧含量的气体混合物的情况下，通过紫外线辐射或通过电子束进行使涂层交联的操作，所述设备包括室，该室具有进行交联操作所必需的一个或多个紫外线灯或一加速电子源，其特征在于，所述设备包括入口装置，该入口装置与所述室相邻并且包括通过待处理的运行中的产品可依次看到的至少以下三个组件：迷宫系统、用于注射形成气刀的惰性气体的装置以及通道。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括出口装置，该出口装置与室相邻并且包括通过待处理的运行中的产品可依次看到的至少以下三个组件：通道、用于注射形成气刀的惰性气体的装置、以及用于产生压降的装置。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述用于产生压降的装置为光滑型面件，该光滑型面件与涂层表面之间的距离小于所述通道的高度。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括出口装置，该出口装置与室相邻并且包括通过待处理的运行中的产品可依次看到的至少以下三个组件：通道、用于注射形成气刀的惰性气体的装置以及迷宫系统。
5.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述入口装置包括通过待处理的运行中的产品可依次看到的至少以下五个组件：通道、第一气体注射狭槽、迷宫系统、第二气体注射狭槽以及接着的第二通道。
6.根据权利要求2-4中任一项所述的设备，其特征在于，所述用于注射形成气刀的惰性气体的装置包括形成于所述入口或出口装置内的带平面壁的气体注射狭槽。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的设备，其特征在于，所述通道中至少一个通道的长度/高度比至少为3。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述通道中至少一个通道的长度/高度比至少为6。
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