DE102006015853A1

DE102006015853A1 - Erwärmungsverfahren für Kunststoffe u.a. Materialien mit einer speziellen Infrarotvorrichtung

Info

Publication number: DE102006015853A1
Application number: DE102006015853A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. John; Anatoli Pritula; Monsa-Ang Satour; Rocco Naumann
Original assignee: IBT INFRABIO TECH GmbH
Current assignee: IBT INFRABIO TECH GmbH
Priority date: 2006-04-03
Filing date: 2006-04-03
Publication date: 2007-10-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Erwärmungsverfahren für Kunststoffe u.a. Materialien, die zweckbestimmt einen Teil des eingesetzten Infrarots sofort zur zielgerichteten Erwärmung absorbieren, aber auch den anderen oft größeren Teil vorerst transformieren und reflektieren. Zur Lösung des Problems sollen wenigstens zwei Strahler auf Basis ein und derselben Funktionalkeramik mit einem selektiven Infrarot eingesetzt werden, deren Emissionsspektren mit den Absorptionsspektren der zu erwärmenden Materialien weitestgehend übereinstimmen. Hierbei befindet sich das zu erwärmende Material zwischen diesen beiden Strahlern. Beide absorbieren auf Grund der Identität der Infrarotcharakteristik sowohl die reflektierten als auch transformierten Strahlen und wandeln sie erneut wieder in Emission gleicher Wellenspektren um. Damit werden deutliche Verkürzungen der Erwärmungszeit, extreme Senkungen des Energieverbrauchs und spürbare Verbesserungen der Produktqualität erzielt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Erwärmungsverfahren mit wenigstens zwei Infrarotstrahlern mit gleichen Funktionalkeramiken, zwischen denen sich der zu erwärmende Kunststoff o.a. Materialien mit hoher elektromagnetischer Absorption und/oder hoher Reflexion und/oder hoher Transmission befinden. Beide Infrarotstrahler arbeiten gleichzeitig als Emitter und als Absorber. Mit einem möglichst großen Teil der Emissionsenergie wird der Kunststoff erwärmt. Daneben bleiben drei Arten von Energie, die nicht sofort vom Kunststoff absorbiert werden wird. Das sind die Strahlungsenergien, die am Kunststoff vorbei gehen (z.B. Netzwerke, einzelne Kunststoffkörper), die durch den Kunststoff hindurch gehen (z.B. bei sehr dünnen Materialien) und die vom Kunststoff reflektiert werden (z.B. bei Kunstoffen mit reflektierenden Eigenschaften). Diese Energiearten werden von beiden Strahlern dank ihrer emittierenden und gleichzeitigen absorbierenden Funktionalkeramik und Oberflächengestaltung wieder absorbiert. Die so absorbierte Energie wird zusammen mit der von außen zugeführten primären Energie erneut wieder von jedem der beiden Strahler in eine neue Emission umgewandelt und so der Prozess bis zum Erreichen des Erwärmungszieles weiter fortgesetzt. Damit werden im Vergleich zu anderen bisher veröffentlichten und/oder praktizierten Lösungen deutliche Verkürzungen der Erwärmungszeit, extreme Senkungen des Energieverbrauchs und spürbare Verbesserungen der Produktqualität erzielt.
Unter einer Erwärmung von Kunststoffen u.a. Materialien werden folgende Verfahren verstanden: A) Kontaktwärmeverfahren, bei denen der Kunststoff gewöhnlich an Erwärmungstrommeln oder ebenen oder gekrümmten Oberflächen erwärmt wird. B) Konvektive Erwärmungsverfahren, bei denen der Kunststoff gewöhnlich an warmer Luft erwärmt wird und C) Strahlungswärmeverfahren, bei denen der Kunststoff mit Infrarot gewöhnlich einseitig oder in Ausnahmen zweiseitig erwärmt wird.
Aus der Literatur- und Patentrecherche geht hervor, dass Vorrichtungen und Verfahren bekannt sind, bei denen mit speziellen keramischen Strahlern, deren Emissionsspektren auf die Absorptionsspektren der zu behandelten Güter weitestgehend aufeinander abgestimmt sind. (D1: US-Patent 5,707,911 vom 13.1.1998; D2: PCT WO 98/12491 vom 26.3.1998; D3: PCT WO 99/36372 vom 22.7.1999; D4: JP 56114867 vom 9.9.1981; D5: JP 19870178935 20.7.1987; D6: US-Patent 6,035,546 vom 14.4.2000; D7: EP 05 002 949.5 vom 11.2.2005). D7 bezieht diese Eigenschaft erstmalig auch die Erwärmung von Kunststoffen.
Lösungen im Sinne der nachfolgenden Erfindungen und analoge Inhalte gemäß wenigstens der Ansprüche 1 und 2 sind nicht veröffentlicht und nicht bekannt.
Erfindungsgemäß dienen für das Erwärmen von Kunststoffen u.a. Materialien mit hoher Transmission, Reflexion und/oder Absorption keramische Strahler mit folgenden Eigenschaften.
Zum Ersten ist ihre Strahlungsfläche nach Form und Größe beider (oder mehrerer) i.d.R. paarweise verwendeter Strahler aufeinander abgestimmt, da sie ja gleichzeitig zueinander als Emitter und Absorber arbeiten. Dazu folgende Beispiele in den Bildern 1 und 2:
Zum Zweiten werden Strahlertemperaturen im Bereich von 200°C bis 1.200°C verwendet, da in diesem Bereich ein Optimum an Energieaufwand zur Erzeugung einer Strahlungsintensität mit den Wellenlängen 3,5 ... 10 μm liegt, die von den meisten Kunststoffarten vorzugsweise und optimal absorbiert werden. Zum Dritten werden vorzugsweise solche Oxyd-Keramiken als sekundäre Emitter verwendet, die zusätzlich zum Zweiten noch besonders energieeffizient selektive Spektralbereiche bilden und gleichzeitig gut Strahlen von analogen Keramiken absorbieren. Dazu folgende Bespiele:

a) Cr₂O₃ in einer Konzentration von 5 ... 60% in Mullit (Al₂O₃/SiO₂) und/oder
b) ZrO₂ in einer Konzentration von 1 ... 50% in Mullit (Al₂O₃/SiO₂) und/oder
c) Ho₂O₃ in einer Konzentration von 0,1 ... 20% in Mullit (Al₂O₃/SiO₂) und/oder
d) Fe₂O₃ in einer Konzentration von 5 ... 40% in Mullit (Al₂O₃/SiO₂) und/oder
e) LaCrO₃ in einer Konzentration von 5 ... 70% in Mullit (Al₂O₃/SiO₂) und/oder
f) CeO₂ in einer Konzentration von 0,1 ... 20% in Mullit (Al₂O₃/SiO₂) und/oder
g) Y₂O₃ in einer Konzentration von 0,1 ... 20% in Mullit (Al₂O₃/SiO₂) und/oder
h) YCrO₃ in einer Konzentration von 0,1 ... 20% in Mullit (Al₂O₃/SiO₂) und/oder
i) Gd₂O₃ in einer Konzentration von 0,1 ... 20% in Mullit (Al₂O₃/SiO₂) und/oder
j) Kombination aus a) 10%; d) 11%; e) 55%; b) 3% – Rest Mullit (Al₂O₃/SiO₂)

Zum Vierten werden die Substrate für die Keramiken aus Quarzglas verwendet. Zum Fünften werden primäre Emitter unter dem Substrat mit Temperaturen im Bereich von 300 bis 2.600°C verwendet. Zum Sechsten werden Schichtdicken an Keramik auf dem Substrat im Bereich von 10 bis 50.000 nm verwendet, die das Substrat im Bereich von 20 bis 100% bedecken. Das so emittierte gesamte Infrarot ist ein Mix aus Selektivem Transformiertem InfraRot (STIR), emittiert durch die verwendeten Funktionalkeramiken, aus dem Infrarot des Substrates und aus dem Infrarot der metallischen Heizwiderstände, d.h. der primären Emitter.
Erfindungsgemäß sind dafür diese Strahler wie folgt zueinander anzuordnen: Zum Ersten in einem Abstand zueinander zwischen 1 und 5.000 mm; Zum Zweiten sind mindestens zwei Strahler bis unendlich viele Strahler zueinander angeordnet. Zum Dritten ebenflächige, konzentrische und dreidimensionale Zuordnung.
Erfindungsgemäß treten bei diesen Strahlern und diesen Anordnungen folgende Wirkungen gemäß Bild 3 auf (dargestellt, am Beispiel von zwei gegenüber und zueinander angeordneten Strahlern gleich DUPLEX-Prinzip).
Danach werden die Strahler A und B mit der primären Energie W_A und W_B versorgt, die sich somit bis zur Temperatur δ_A und δ_B erwärmen und den überwiegenden Teil als Strahlungsenergie aufeinander zu mit ε_A und ε_B emittieren. Der überwiegende Teil davon wird vom Kunststoff K gemäß α_A und α_B absorbiert, der sich somit erwärmt. Je nach Dicke des Kunststoffes, je nach seiner vollständigen oder teilweisen Flächedeckung und je nach seinen Absorptionseigenschaften wird allerdings bei insbesondere dünnen, durchbrochenen und schlecht absorbierenden Kunststoffen ein relativ großer Teil der Strahlungsenergie vorerst ungenutzt transmittiert (siehe τ_A und τ_B). Weiterhin wird je nach Kunststoffart, seiner Oberfläche und Temperatur auch noch ein bestimmter Teil der Strahlungsenergie vorerst ungenutzt reflektiert (siehe Ϛ_A und Ϛ_B). Die beiden Strahler A und B absorbieren diese transmittierten und reflektierten Energien. In dem Maße wird entweder deren Temperatur δ_A und δ_B höher und/oder die aufgenommene primären Energie W_A und W_B weniger. Je nach Art der Emissionseigenschaften der Strahler A und B und je nach den Absorptionseigenschaften des Kunststoffes K kommt es mehr oder weniger zu Überlagerungen der beiden Emissionsenergien von A und B bis hin zur Mitte von K und darüber hinaus. Das führt zu einer zusätzlichen Beschleunigung der Erwärmung und somit zur Verkürzung der Erwärmungszeit. Beispiel:

a) einseitige Erwärmung eines Kunststoffes K (PET, 0,7 mm dick) von 20 auf 100°C mit dem Strahler A (Keramik B2, 171,4 kW/m², 800°C) im Abstand von 20 mm zu K in 9 Sekunden.
b) Zweiseitige Erwärmung eines Kunststoffes K (PET, 0,7 mm dick) von 20 auf 100°C gleichzeitig mit den Strahlern A und B (je Keramik B2, je 171,4 kW/m², je 800°C) gemäß Bild 3 im Abstand von je 20 mm zu K in 3 Sekunden!

Das heißt durch die doppelte STIR-Leistung hat sich so die Erwärmungsleistung nicht nur verdoppelt, sondern durch den Effekt der Überlagerung der STIR-Wellen verdreifacht.
Erfindungsgemäß wird demnach das Wirkprinzip bei drei typischen Kunstoffen u.a. Materialien angewendet. Zum Ersten bei relativen dicken (1 ... 100 mm) Kunststoffen u.a. Materialien mit einer naturgemäß hohen elektromagnetischen Absorption, die sonst mit den bekannten klassischen Verfahren mit folgenden Nachteilen erwärmt werden: lange Erwärmungszeiten und/oder großer Energieaufwand und/oder hoher investiver Aufwand für die Erwärmungsanlage und/oder Qualitätsprobleme wegen ungleicher oder ungleich schneller Erwärmung. Zum Zweiten bei relativ dünnen (1 ... 1.000 μm) oder durchbrochen Bahnen aus Kunststoff u. a. Materialien mit einer naturgemäß hohen elektromagnetischen Transmission oder bei mit Unterbrechung angeordneten Kunststoffteilen, die sonst mit den bekannten klassischen Verfahren mit folgenden Nachteilen erwärmt werden: hohe Energieverluste und damit großer Energieaufwand und/oder hoher investiver Aufwand für die Erwärmungsanlage. Zum Dritten bei dicken bis dünnen Kunststoffen u.a. Materialien mit einer relativ hohen elektromagnetischen Reflexion (z.B. Lacke, Kunststoffe u.ä. mit relativ großem Aluminiumanteil).
Die folgende Tabelle 1 gibt für drei charakteristische Strahler H, M und L die Wellenlänge, Absorption und Transmission an. Danach werden Strahler im Bereich zwischen M und H eher für dickere Körper und Schichten sowie zwischen M und L eher für dünne Körper und Schichten verwendet.
Tabelle 1: Anwendungsorientierung für verschiedene Strahler
Ausführungsbeispiel
Erfindungsgemäß wird durch die Verwendung von einer mit Funktionskeramik beschichteten Heizbuchse A und eines mit Keramik beschichteten Heizdorns B eine Vorrichtung und ein Verfahren geschaffen, mit dem ein PET-Flaschenrohling K mit 4,1 mm Wanddicke und einer Masse 48 g (undotiert) in einer Zeit von 14 s von 20°C auf 100°C innen wie außen mit gleichmäßiger Durchwärmung und mit einem Energieaufwand von 32 Wh/kg erwärmt werden kann. Bei Verwendung von Dotierungen mit ein und derselben Keramik wie auf den Strahlern wird die Effizienz um weitere 10 ... 20% verbessert. Das entspricht im Vergleich zu der derzeit weltweit praktizierten Erwärmung mit Halogenhellstrahlern nur von außen jetzt nach dem STIR-DUPLEX-Prinzip einer Senkung des Zeitaufwandes auf 40% und des Energieaufwandes auf 23% bzw. der Verbesserung des energetischen Wirkungsgrades von 17% auf 75%. Bei Verwendung von Dotierungen mit ein und derselben Keramik wie auf den Strahlern wird die Effizienz weiter verbessert.
Darüber hinaus kann der investive Aufwand bei gleicher Produktivität bei einem solchen Erwärmungsofen von 5,33 m² auf 1,33 m² also auf 25% bei gleichzeitiger Vereinfachung des Ofens verringert werden.
Erfindungsgemäß wird gemäß Bild 5 ein neues Funktionsprinzip eines Ofens geschaffen, bei dem die Flaschenrohlinge ruhend in den Heizbuchen (Heizelement) A (und in ihnen die Heizdorne B) in einem Karussell erwärmt werden. Dabei erfolgt in diesem Beispiel die Erwärmung in neun Heizpositionen. Die restlichen drei dienen der Beschickung, der Ruhe und der Entnahme.

Claims

Verfahren zur Erwärmung von Kunststoffen u.a. Materialien mit ähnlichen absorbierenden, reflektierenden und transmittierenden Eigenschaften zur gezielten energetischen Verarbeitung von elektromagnetischer Emission, Transmission und Reflexion dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Strahler auf Basis ein und derselben Funktionalkeramik mit einem selektiven Infrarot eingesetzt werden, deren Emissionsspektren mit den Absorptionsspektren der zu erwärmenden Materialien weitestgehend übereinstimmen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zu erwärmende Material sich zwischen diesen beiden Strahlern befindet. Beide absorbieren auf Grund der Identität der Infrarotcharakteristik größtenteils sowohl die restlichen reflektierten als auch die restlichen transformierten Strahlen und wandeln sie erneut wieder in Emission gleicher Wellenspektren um.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Funktionalkeramiken Oxydkeramiken sind, mit vorherrschend selektiven Spektralbereichen in den Grenzen von 3 bis 50 μm.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Emittertemperaturen im Bereich von 200 bis 1.200°C liegen.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die emittierenden absorbierenden Oberflächen so nach Form und Größe gestaltet sind, dass sie gemäß der Geometrie der Strahlungswinkel noch ausreichend viel Infrarot vom gegenüber liegenden Strahler absorbieren können.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände der beiden Strahler zueinander und darunter zum Material so optimal gehalten werden, dass einerseits gemäß der Geometrie der Strahlungswinkel noch ausreichend viel Infrarot vom gegenüber liegenden Strahler absorbieren werden kann, andererseits das Material thermisch nicht überlastet wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dieses System zum Erwärmen von Kunststoffen u.a. Materialien zum Zwecke des Trocknens, der Erzielung hoher Plastizität vor dem Umformen, der Polymerisierung, der Vulkanisierung, des Schrumpfens, des Kaschierens, der Pulverbeschichtung und des Laminierens eingesetzt werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass danach relativ dünne Körper wie Granulate, Pulver, Bahnen, Netzwerke oder Schichten mit einer naturgemäß hohen elektromagnetischen Transmission wie Kunststoffe (einschließlich Gummi) in mit einer oder mehreren Komponenten, Kunststoffe mit eingelagerten Fasern aus Kohlenstoff, Glas, Textilien o.ä., Kunststoff auf Substraten aus Textilien, Papier, Metall, Holz, Leder, Glas, Keramik und selbst wieder Kunststoff erwärmt werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass danach relativ dicke Körper wie Granulate, Pulver, Bahnen oder Schichten mit einer naturgemäß hohen elektromagnetischen Absorption wie Kunststoffe (einschließlich Gummi) in mit einer oder mehreren Komponenten, Kunststoffe mit eingelagerten Fasern aus Kohlenstoff, Glas, Textilien o.ä., Kunststoff auf Substraten aus Textilien, Papier, Metall, Holz, Leder, Glas, Keramik und selbst wieder Kunststoff erwärmt werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Nano- oder Mikropartikel ein und derselben Keramik wie die Funktionalkeramik auf den beiden Strahlern zusätzlich emittierende und/oder absorbierende Dotierungen im Kunststoff o.a. Materialien darstellen und somit weitere Verbesserung der Wirkungsgrade erbringen.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erwärmen von rohrförmigen Körpern die Erwärmung konzentrisch von innen nach außen mit einem Dorn und gleichzeitig von außen nach innen mit einer das Rohr umschließenden Buchse erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erwärmen von rohrförmigen Körpern der Prozess in einem rotierenden Karussell-Ofen erfolgt.