DE102022000134A1 - Method of curing a glass fiber composite material - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Härtung eines Glasfasercompositmaterials, umfassend zumindest einen Schritt einer radikalischen Härtung eines Glasfasercompositmaterials mittels schmalbandiger UV-LED-Strahlung, die mittels Licht emittierender Dioden (LED) als Strahlungsquelle erzeugt wird, deren Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich von 365 nm bis 440 nm liegt und eine Halbwertsbreite der Wellenlänge von maximal ± 10 nm aufweist, wobei das durch diese Strahlung zu härtende Glasfasercompositmaterial Glasfasern als Verstärkungsfasern sowie eine Matrix aufweist, die polymerisierbare Matrixbestandteile und zumindest einen Photosensibilisator zur Katalyse mindestens einer photoinduzierten radikalischen Polymerisation enthält.The invention relates to a method for curing a glass fiber composite material, comprising at least one step of free-radical curing of a glass fiber composite material by means of narrow-band UV-LED radiation, which is generated using light-emitting diodes (LED) as a radiation source, the wavelength of which is in a wavelength range from 365 nm to 440 nm and a wavelength half-width of at most ±10 nm, the glass fiber composite material to be cured by this radiation having glass fibers as Having reinforcing fibers and a matrix containing polymerizable matrix components and at least one photosensitizer for catalyzing at least one photo-induced radical polymerization.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Härtung eines Glasfasercompositmaterials mittels UV-gestützter Polymerisation. Dieses Verfahren umfasst zumindest einen Schritt einer radikalischen Härtung des Glasfasercompositmaterials mittels schmalbandiger UV-LED-Strahlung.The invention relates to a method for curing a glass fiber composite material by means of UV-assisted polymerisation. This method comprises at least one step of radical hardening of the glass fiber composite material using narrow-band UV LED radiation.
Die Anwendung betrifft das Gebiet der Polymerisations-Duroplaste und Verfahren, bei denen elektromagnetische Strahlung in das Composit eindringen und Polymerisationsreaktionen auslösen kann. Dazu gehören Verfahren der Pultrusion mit offenem Profil, die Wickeltechnik und das Gebiet der imprägnierten Halbzeuge, sogenannter Prepregs.The application relates to the field of polymerisation thermosets and processes in which electromagnetic radiation can penetrate the composite and trigger polymerisation reactions. These include pultrusion processes with an open profile, winding technology and the field of impregnated semi-finished products, so-called prepregs.
Die Polymerisation von duroplastischen Compositmaterialien und die Herstellung imprägnierter Halbzeuge als Prepreg-Vormaterialien sind Stand der Technik. Eine solche Polymerisation kann thermisch oder auch mittels Strahlung beziehungsweise Strahlen mit Wellenlängen im ultravioletten Bereich, im Folgenden UV-Strahlung beziehungsweise UV-Strahlen genannt, erfolgen.The polymerisation of duroplastic composite materials and the production of impregnated semi-finished products as prepreg primary materials are state of the art. Such a polymerization can take place thermally or by means of radiation or rays with wavelengths in the ultraviolet range, hereinafter referred to as UV radiation or UV rays.
Die Vorgänge einer photoinduzierten Polymerisation und Verfahren der Strahlungshärtung mittels UV-Strahlen sind allgemein bekannt (vgl.: P. Glöckner, T. Jung, S. Struck, K. Studer, „Radiation Curing“, Verlag: Vincentz Network, 2009, ISBN: 978-3-86630-907-4, S. 17 bis 21 und S. 30 bis 39). Sie werden auch in vielfältiger Form zum Beispiel in Beschichtungs- und Printprozessen angewendet. Jedoch sind bisher die begrenzten Eindringtiefen der Strahlung nachteilig und behindern den Polymerisationsprozess nachhaltig. Hauptursache ist die physikalische Zusammensetzung der Strahlung. Bei einer Aushärtung ausschließlich mit UV-Strahlung findet keine vollständige Umsetzung statt. Hilfsweise wird hier im Anschluss an den Prozess eine Nachhärtung unter erhöhter Temperatur durchgeführt, was auch als Tempern bezeichnet wird. Dies stellt jedoch ebenso eine Einschränkung der Produktivität dar.The processes of photo-induced polymerization and radiation curing processes using UV rays are well known (cf.: P. Glöckner, T. Jung, S. Struck, K. Studer, "Radiation Curing", Verlag: Vincentz Network, 2009, ISBN: 978-3-86630-907-4, pp. 17 to 21 and pp. 30 to 39). They are also used in a variety of forms, for example in coating and printing processes. However, the limited penetration depths of the radiation have so far been disadvantageous and have a lasting effect on the polymerization process. The main cause is the physical composition of the radiation. In the case of curing exclusively with UV radiation, complete conversion does not take place. As an alternative, post-curing at elevated temperature is carried out after the process, which is also referred to as tempering. However, this also represents a limitation on productivity.
Beim Polymerisationsprozess tritt ein mehr oder weniger starker Volumenschrumpf auf. Dieser verursacht eine Zugspannung im System Faser-Matrix und damit eine verminderte Haftung der Faserfibrillen mit der umgebenden Matrix. Im Ergebnis reduzieren sich die mechanischen Eigenschaften der hergestellten Composite. Um den Prozess beherrschbar zu halten, wird die Radikalkonzentration beschränkt und die Geschwindigkeit reduziert. Dies bedeutet eine vergleichsweise erhebliche Einschränkung der Produktivität.A more or less strong volume shrinkage occurs during the polymerization process. This causes tensile stress in the fiber-matrix system and thus reduced adhesion of the fiber fibrils to the surrounding matrix. As a result, the mechanical properties of the composites produced are reduced. In order to keep the process manageable, the concentration of radicals is limited and the speed reduced. This means a comparatively significant reduction in productivity.
Dazu kommt, dass die Halbwertszeiten der Radikalbildung der thermischen Initiatoren stark temperaturabhängig und nicht unterbrechbar sind. Die Härtung ist deshalb nicht optimal durchführbar, da durch den Reaktionswärmestau im System die Radikalbildung schwer beeinflussbar ansteigt.In addition, the half-lives of the radical formation of the thermal initiators are highly temperature-dependent and cannot be interrupted. The hardening cannot therefore be carried out optimally, since the formation of free radicals increases and is difficult to influence due to the accumulation of reaction heat in the system.
Composite, die unter Vorhandensein von Luftsauerstoff hergestellt werden, neigen zur Oberflächenklebrigkeit, weil der Sauerstoff von der Matrixoberfläche inhibiert wird.Composites that are produced in the presence of atmospheric oxygen tend to be sticky on the surface because the oxygen is inhibited by the matrix surface.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren mit einer UV-gestützten Polymerisation zur Herstellung von duroplastischen Faserverbundkunststoffen bereitzustellen, wobei dieses Verfahren im Vergleich zu bisherigen Verfahren schneller verlaufen und dabei gleichzeitig beherrschbar sein soll, was insgesamt eine Steigerung der Produktivität zur Folge hätte. Zudem soll die Oberflächenklebrigkeit vermindert werden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Gestaltung des Polymerisationsprozesses dergestalt, dass an sich lichtundurchlässige Systeme mittels UV-Strahlung polymerisiert werden können.The object of the invention is to provide a method with UV-assisted polymerization for the production of duroplastic fiber-reinforced plastics, this method being faster than previous methods and at the same time being controllable, which would result in an overall increase in productivity. In addition, the surface tack should be reduced. A further object of the invention is to design the polymerization process in such a way that systems which are opaque per se can be polymerized by means of UV radiation.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung besteht in einem Verfahren zur Härtung eines Glasfasercompositmaterials, wobei das Verfahren die Merkmale von Anspruch 1 umfasst. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.The solution to the object of the invention consists in a method for curing a glass fiber composite material, the method comprising the features of claim 1. Preferred embodiments and developments are specified in the dependent claims.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest einen Schritt einer radikalischen Härtung des Glasfasercompositmaterials mittels schmalbandiger UV-LED-Strahlung. Diese UV-LED-Strahlung wird mittels Licht emittierender Dioden (LED) als Strahlungsquelle erzeugt, liegt in einem Wellenlängenbereich von 365 nm bis 440 nm und weist eine Halbwertsbreite der Wellenlänge von maximal ± 10 nm auf. Das durch diese Strahlung zu härtende Glasfasercompositmaterial weist Glasfasern als Verstärkungsfasern und eine Matrix auf, die polymerisierbare Matrixbestandteile und zumindest einen Photosensibilisator zur Katalyse mindestens einer photoinduzierten radikalischen Polymerisation enthält.The method according to the invention comprises at least one step of free-radical curing of the glass fiber composite material by means of narrow-band UV-LED radiation. This UV LED radiation is generated using light-emitting diodes (LED) as a radiation source, lies in a wavelength range from 365 nm to 440 nm and has a maximum wavelength half-width of ±10 nm. The glass fiber composite material to be cured by this radiation has glass fibers as reinforcing fibers and a matrix containing polymerizable matrix components and at least one photosensitizer for catalyzing at least one photo-induced radical polymerization.
Ein solches Verfahren, das den Polymerisationsprozess mittels schmalbandiger UV-Strahlung, das heißt von maximal ± 10 nm, bei einer Wellenlänge von zirka 400 nm gestaltet und die Streuung der einfallenden, schmalbandigen UV-Strahlung zur Polymerisation von Matrixmaterialien, die feinteilige, strahlungsundurchlässige Festkörper enthalten, benutzt, ist bisher nicht bekannt. Licht emittierende Dioden (LED) als Strahlungsquelle können diese Anforderungen erfüllen, weil sie immanent Licht einer schmalbandigen Wellenlänge erzeugen.Such a method that shapes the polymerisation process using narrow-band UV radiation, i.e. of a maximum of ± 10 nm, at a wavelength of around 400 nm and the scattering of the incident the narrow-band UV radiation used to polymerize matrix materials that contain finely divided, radiation-opaque solids is not known to date. Light-emitting diodes (LED) as a radiation source can meet these requirements because they inherently generate light of a narrow-band wavelength.
Durch die Anwendung der schmalbandigen UV-Strahlung werden eine maximale Transmission der eindringenden Strahlung durch Verstärkungsfaser und Matrix sowie eine hinreichende Sensibilisierungswechselwirkung zur Radikalbildung erreicht. Insbesondere bedingt die Schmalbandigkeit der Einstrahlung einen fixierten Extinktionskoeffizienten des Photosensibilisators und erlaubt eine optimale Einstellung der Sensibilisatorkonzentration und der Leistung der Strahlungsquelle.By using the narrow-band UV radiation, a maximum transmission of the penetrating radiation through the reinforcing fiber and matrix as well as a sufficient sensitization interaction for the formation of radicals are achieved. In particular, the narrow-band nature of the irradiation requires a fixed extinction coefficient of the photosensitizer and allows optimal adjustment of the sensitizer concentration and the power of the radiation source.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Steuerung des Polymerisationsprozesses dergestalt, dass Temperaturerhöhung und Radikalbildung zeitlich auseinandergelegt werden. Damit wird es problemlos möglich, die Polymerisation zum optimalen Zeitpunkt nach einer Temperaturerhöhung über der Glasübergangstemperatur ablaufen zu lassen. Durch die erreichbare, erhebliche Geschwindigkeitserhöhung wird der Produktivitätsnachteil überwunden. Gleichzeitig wird eine Oberflächenklebrigkeit des fertigen Produktes verhindert.The process according to the invention enables the polymerization process to be controlled in such a way that the temperature increase and the formation of free radicals are separated in time. This makes it possible without any problems to allow the polymerization to proceed at the optimum point in time after the temperature has risen above the glass transition temperature. The productivity disadvantage is overcome by the significant increase in speed that can be achieved. At the same time, surface stickiness of the finished product is prevented.
Die Härtung mit UV-LED-Strahlen ist nur im ersten Schritt der Radikalbildung vom Prozess der radikalischen Polymerisation verschieden. Damit können alle Systeme der radikalischen Polymerisation übernommen werden (vgl.: H.-J. Timpe, H. Baumann, „Photopolymere, Prinzipien und Anwendungen“, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, 1988, ISBN: 3342002158, S. 17 bis 20, S. 89 bis 92 und S. 270 bis 273).Curing with UV LED rays differs from the process of radical polymerization only in the first step of radical formation. This means that all systems of radical polymerization can be adopted (cf.: H.-J. Timpe, H. Baumann, "Photopolymers, principles and applications", VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, 1988, ISBN: 3342002158, p. 17 to 20, pp. 89 to 92 and pp. 270 to 273).
Die polymerisierbaren Matrixbestandteile sind bevorzugt ausgewählt aus Reaktionsharztypen, um bestimmte Eigenschaften der Compositmaterialien zu erhalten:
- - ungesättigte Polyesterharze (UP),
- - Vinylesterharze (VE),
- - Phenacrylatharze (PAH),
- - Methacrylatharze (MA).
- - unsaturated polyester resins (UP),
- - vinyl ester resins (VE),
- - phenacrylate resins (PAH),
- - Methacrylate resins (MA).
Weiterhin sind auch Monomere polymerisierbar, wie Acrylate, Methacrylate und/oder Vinylaromaten.Furthermore, monomers can also be polymerized, such as acrylates, methacrylates and/or vinyl aromatics.
In aller Regel weist das Glasfasercompositmaterial folgende Zusammensetzung auf, mit den Angaben in Massen-%:
- Glasfasern: von 5 % bis 80 %,
- Matrix: von 20 % bis 95 %.
- glass fibres: from 5% to 80%,
- Matrix: from 20% to 95%.
Dabei beträgt der Anteil des Photosensibilisators an der Matrix von 0,01 % bis 6 %. Der Photosensibilisator kann ausgewählt werden aus zum Beispiel:
- - Bis(2,4,6-trimethylbenzoyl)-phenylphosphinoxid,
- - Bis(.eta.5-2,4-cyclopentadien-1-yl)-bis(2,6-difluoro-3-(1H-pyrrol-1-yl)-phenyl)-titanlV,
- - Bis(cyclopenta-1,3-dien-bis(2,6-difluor(1 H-pyrrol-1-yl)phenolid)-titanlV,
- - 2,4,6-Trimethylbenzoyl-diphenylphosphinoxid,
- - 2,4,6-Trimethylbenzoyl-diphenylphosphinat.
- - bis(2,4,6-trimethylbenzoyl)phenylphosphine oxide,
- - Bis(.eta.5-2,4-cyclopentadien-1-yl)bis(2,6-difluoro-3-(1H-pyrrol-1-yl)phenyl)titaniumV,
- - bis(cyclopenta-1,3-dienebis(2,6-difluoro(1H-pyrrol-1-yl)phenolide)titanium IV,
- - 2,4,6-trimethylbenzoyl-diphenylphosphine oxide,
- - 2,4,6-trimethylbenzoyl diphenylphosphinate.
Bis(2,4,6-trimethylbenzoyl)-phenylphosphinoxid ist auch unter seinem Synonym Bisacylphosphinoxid mit der Handelsbezeichnung Omnirad 819 bekannt.Bis(2,4,6-trimethylbenzoyl)phenylphosphine oxide is also known by its synonym bisacylphosphine oxide with the trade name Omnirad 819.
Die UV-Strahlung wird durch UV-LED-Lampen mit einem Wellenlängenbereich bevorzugt im Bereich von 410 bis 415 nm erzeugt. In diesem Wellenlängenbereich kann die maximale Transmission erreicht werden. Streustrahlung und innere Reflexion an Festkörperanteilen führen zur Streulichtpolymerisation von intransparenten Compositmaterialien. Die in das Composit eindringende Strahlung hemmt die Eindiffusion von Luftsauerstoff in die Compositoberfläche und führt zu einer klebfreien Aushärtung derselben.The UV radiation is generated by UV LED lamps with a wavelength range preferably in the range from 410 to 415 nm. The maximum transmission can be achieved in this wavelength range. Scattered radiation and internal reflection from solid parts lead to scattered light polymerisation of non-transparent composite materials. The radiation penetrating the composite inhibits the diffusion of atmospheric oxygen into the composite surface and leads to a tack-free curing of the same.
Zusammen mit einem Photosensibilisator, der eine Radikalbildung und Radikalreaktion bewirkt, startet die Polymerisation unabhängig von der Temperatur.Together with a photosensitizer, which causes radical formation and radical reaction, the polymerization starts independently of the temperature.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden im Prozess thermische Polymerisation und UV-gestützte Polymerisation in einer bestimmten Abfolge oder in bestimmten Abfolgen hintereinandergeschaltet. Damit lässt sich leicht eine Trennung von Radikalbildung und Temperaturerhöhung erreichen und weiterhin eine Temperung in den Prozess integrieren.According to an advantageous embodiment of the invention, thermal polymerization and UV-assisted polymerization are connected in series in a specific sequence or in specific sequences in the process. This makes it easy to separate the formation of radicals and the increase in temperature and also to integrate tempering into the process.
Vorteilhaft kann am Anfang des Prozesses eine thermische Vorwärmung erfolgen, um die Temperatur der Matrix auf einen Wert über der Glasübergangstemperatur zu erhöhen. Der nachfolgende Prozess ist gekennzeichnet durch eine mehrstufige Anordnung von thermischen Anlagen und UV-Anlagen. Dabei wird jeweils in einer UV-Anlage eine radikalische Reaktion vorangetrieben, bei der die Glasübergangstemperatur ansteigt. Die thermischen Anlagen sorgen für eine Erwärmung des Materials auf den notwendigen Wert oberhalb der jeweils vorhandenen Glasübergangstemperatur. Mit steigendem Polymerumsatz vermindert sich nacheinander die für den Glasübergang bestimmende Beweglichkeit der Polymerkettensegmente. Der maximale Wert der Glasübergangstemperatur wird erst bei komplettem Umsatz erreicht (vgl.: H.-G. Elias „Makromoleküle“, Verlag: Wiley-VCH 2002, ISBN: 3527299599, S. 427 bis 429).Thermal preheating can advantageously take place at the beginning of the process in order to increase the temperature of the matrix to a value above the glass transition temperature. The subsequent process is characterized by a multi-stage arrangement of thermal systems and UV systems. In each case, a radical reaction is promoted in a UV system, during which the glass transition temperature increases. The thermal systems ensure that the material is heated to the required value above the existing glass transition temperature. With increasing polymer conversion, the mobility of the polymer chain segments, which is decisive for the glass transition, decreases one after the other. The maximum value of the glass transition temperature is only reached when the conversion is complete (cf.: H.-G. Elias "Macromolecules", publisher: Wiley-VCH 2002, ISBN: 3527299599, pp. 427 to 429).
Bei vertretbaren Verweilzeiten im Prozess wird ein Umsatzgrad in den UV-Anlagen von zirka 80 - 85 % erreicht. Um einen vollständigen Umsatz zu erreichen, wird am Ende des Prozesses eine thermische Beheizung als Temperung angeordnet. Hier reagieren die noch vorhandenen doppelbindungshaltigen Reaktanten aufgrund der Diffusion unter Wärmeeinwirkung miteinander.With reasonable residence times in the process, a degree of conversion of around 80 - 85% is achieved in the UV systems. In order to achieve complete conversion, thermal heating is arranged as tempering at the end of the process. Here, the double bond-containing reactants still present react with one another due to diffusion under the influence of heat.
Mit der Erfindung sind im Wesentlichen folgende Vorteile zu erreichen:
- ➢ eine signifikante Erhöhung der Durchlaufgeschwindigkeit im Vergleich zum Stand der Technik,
- ➢ Erreichen von klebfreien Oberflächen ohne den Einsatz von Isocyanaten,
- ➢ Integration des Tempervorgangs in den Prozess und
- ➢ UV-Polymerisation von Systemen im Streulicht, die an sich nicht lichtdurchlässig sind.
- ➢ a significant increase in throughput speed compared to the prior art,
- ➢ Achievement of tack-free surfaces without the use of isocyanates,
- ➢ Integration of the tempering process into the process and
- ➢ UV polymerisation of systems in scattered light that are not translucent per se.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung. Es zeigt:
-
1 : eine schematische Darstellung einer Anlage für ein Verfahren zur Herstellung von duroplastischen Glasfasercompositmaterialien mit thermischen Anlagen und Anlagen zur photoinduzierten Polymerisation.
-
1 : a schematic representation of a system for a process for the production of thermoset glass fiber composite materials with thermal systems and systems for photo-induced polymerization.
Der Verfahrensablauf, ausgehend von einer Imprägnierung bis zu einer Kühlung und einem Bandabzug, wird anhand der erhaltenen Daten für einen Strang in Form eines Rundprofils mit einem Durchmesser von 6 mm mit einem Anteil von 80 Massen-% Matrix und 20 Massen-% Glasfasern durchgeführt, wobei die Matrix 0,63 Massen-% des Photosensibilisators enthält. Die Versuchsanordnung umfasst sowohl thermische Anlagen, die sowohl in der
Die thermische Erwärmung erfolgt mit Hochtemperatur-Infrarot-Dunkelstrahlern aus keramischem Material. Diese zeichnen sich durch hohen Emissionsgrad und optimale Strahlungscharakteristik aus. Somit dringt die Strahlung tief in das Compositmaterial ein und heizt das Innere des Materials zeitgleich auf. Tabelle 1
Beispiel 1example 1
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Härtung eines Glasfasercompositmaterials mittels schmalbandiger UV-LED-Strahlung zeichnet sich durch maximale Transmission der eindringenden Strahlung sowohl durch die Verstärkungsfaser als auch die Matrix aus. Das zeigen die in Tabelle 2 für verschiedene Wellenlängen im Bereich von 340 bis 410 nm aufgeführten Extinktionswerte, gemessen an einer Schichtdicke von 0,1 cm. Dabei zeigt sich, dass die Glasfasern bei eingestrahlten Wellenlängen von 380 nm bis 410 nm eine Extinktion jeweils mit dem Wert 0, eine Absorptionsrate von jeweils 1 und eine Absorbanz pro cm von 0 /cm bewirken. Tabelle 2 Glasfasern
In der Tabelle 3 sind für verschiedene Wellenlängen im Bereich von 340 bis 420 nm die Extinktionswerte für styrolisches ungesättigtes Polyesterharz (UP-Harz) aufgeführt. Dabei zeigt sich, dass die Werte für die Extinktion, die Absorptionsrate und die Absorbanz umso niedriger sind, je höher der Wert für die Wellenlänge des einstrahlenden Lichts ist. Tabelle 3: Produkt styrolisches UP-Harz
In der Tabelle 4 sind für verschiedene Wellenlängen im Bereich von 320 bis 435 nm die Extinktionskoeffizienten in der Einheit [l/mol cm] für den Photosensibilisator Bisacylphosphinoxid Omnirad 819 in Abhängigkeit von den Wellenlängen λ des eingestrahlten Lichtes angegeben. Tabelle 4
Beispiel 2example 2
Das Beispiel 2, siehe Tabelle 5, zeigt, dass die Schmalbandigkeit der Einstrahlung einen fixierten Extinktionskoeffizienten des Photosensibilisators bedingt und eine optimale Einstellung der Konzentration des Photosensibilisators und der Leistung der Strahlungsquelle erlaubt.Example 2, see Table 5, shows that the narrow-band nature of the irradiation requires a fixed extinction coefficient of the photosensitizer and allows the concentration of the photosensitizer and the power of the radiation source to be set optimally.
Die Wirkung der Strahlung lässt sich quantifiziert mit dem Lambert-Beerschen Gesetz beschreiben:
- Eλ
- Extinktion/Leistung
- I
- Intensität des transmittierten Lichtes
- I0
- Intensität des einfallenden (eingestrahlten) Lichtes
- c
- Konzentration der absorbierenden Substanz in der Flüssigkeit [mol · m-3] oder [mol · I-1]
- ελ
- natürlicher molarer Extinktionskoeffizient bei der Wellenlänge λ [dm3 · mol -1 cm -1] oder [l · mol -1 cm -1]
- d
- Weglänge des Lichtes im Material [cm]
- Eλ
- absorbance/power
- I
- Intensity of the transmitted light
- I0
- Intensity of the incident (irradiated) light
- c
- Concentration of the absorbing substance in the liquid [mol m -3 ] or [mol I -1 ]
- ελ
- natural molar extinction coefficient at wavelength λ [dm 3 mol -1 cm -1 ] or [l mol -1 cm -1 ]
- i.e
- Path length of the light in the material [cm]
Es ist leicht erkennbar, dass bei Reduktion der Strahlungsleistung die oberflächliche Reaktionsgeschwindigkeit zwar absinkt, aber in den tieferen Schichten gegenüber der Oberfläche mehr Strahlung ankommt. Der gleiche Effekt ist erzielbar durch Dimmen von Eλ.It is easy to see that when the radiation power is reduced, the surface reaction speed decreases, but more radiation arrives in the deeper layers compared to the surface. The same effect can be achieved by dimming E λ .
Das Ziel besteht in einer gezielten Beherrschung der Polymerisation im Inneren des Glasfasercompositmaterials.The aim is to control the polymerisation inside the glass fiber composite material.
Randbedingungen der Berechnung sind:
- - ein reines Matrixmaterial,
- - eine angenommene Eindringtiefe in die Matrix von 3 mm sowie
- - eine Wellenlänge von 410 nm.
- - a pure matrix material,
- - an assumed depth of penetration into the matrix of 3 mm and
- - a wavelength of 410 nm.
Beispiel 3Example 3
Die Tabelle 6 enthält Angaben über die ankommende Strahlung der in ein Compositmaterial eindringenden UV-LED-Strahlung, wobei die ankommende Strahlung jeweils für verschiedene Wellenlängen der Einstrahlung aufgeführt ist. Ebenso sind aus Tabelle 6 die Durchlässigkeiten der Komponenten des Compositmaterials, das heißt des Glasfasermaterials und der Matrix, für Strahlung der verschiedenen Wellenlängen angegeben.Table 6 contains information about the incoming radiation of the UV LED radiation penetrating a composite material, the incoming radiation being listed for different wavelengths of irradiation. Table 6 also shows the transmittances of the components of the composite material, i.e. the glass fiber material and the matrix, for radiation of the various wavelengths.
Das Compositmaterial liegt in Form eines Pultrusions-Rundprofils mit einem Glasgehalt von 66 Volumen-% beziehungsweise 80 Massen-%, einem Matrixgehalt von 34 Volumen-% beziehungsweise 20 Massen-% am Rundprofil, einem Durchmesser von 8 mm, dementsprechend einer Entfernung vom Profilzentrum von 4 mm vor. Rechnerisch werden diese 4 mm von 2,64 mm Glasfaserfibrillen und von einer Matrix von 1,36 mm gebildet. Tabelle 6
Bei Wellenlängen von 390 nm und von 410 nm beträgt die Durchlässigkeit der Glasfasern für die schmalbandige UV-Strahlung jeweils 100 %, während die Durchlässigkeit bei einer Wellenlänge von 365 nm nur 55 % beträgt. Die größte Durchlässigkeit der Matrix besteht für die UV-Strahlung bei einer Wellenlänge von 410 nm, die immerhin noch bei 76,9 % liegt und aufgrund der 100-prozentigen Durchlässigkeit der Glasfasern gleichzeitig auch der ankommenden Strahlung entspricht und damit mehr als doppelt so hoch ist wie der Wert der ankommenden Strahlung einer Wellenlänge von 390 nm, welcher 31,5 % beträgt. Bei 365 nm besteht immer noch eine Durchlässigkeit der Matrix für die UV-Strahlung, wobei die ankommende Strahlung in Bezug auf die Einstrahlung hierbei letztendlich nur noch 2,75 % entspricht.At wavelengths of 390 nm and 410 nm, the transmittance of the glass fibers for the narrow-band UV radiation is 100%, while the transmittance at a wavelength of 365 nm is only 55%. The maximum permeability of the matrix is for UV radiation at a wavelength of 410 nm, which is still 76.9% and, due to the 100% permeability of the glass fibers, also corresponds to the incoming radiation and is therefore more than twice as high as the value of the incoming radiation of wavelength 390 nm, which is 31.5%. At 365 nm there is still a permeability of the matrix for the UV radiation, whereby the incoming radiation in relation to the insolation ultimately corresponds to only 2.75%.
Die Tabelle 7 enthält Angaben über die ankommende Strahlung bezogen auf die in ein Compositmaterial mit der gleichen Zusammensetzung, das heißt einem Glasgehalt von 66 Volumen-% beziehungsweise 80 Massen-% und einem Matrixgehalt von 34 Volumen-% beziehungsweise 20 Massen-%, eindringende UV-LED-Strahlung. Dabei liegt das Compositmaterial jedoch in Form eines Pultrusions-Rundprofils mit einem doppelt so starken Durchmesser wie im Beispiel gemäß Tabelle 6 vor, das heißt einem Durchmesser von 16 mm und dementsprechend einer Entfernung vom Profilzentrum von 8 mm. Table 7 contains information on the incoming radiation based on the UV penetrating a composite material with the same composition, i.e. a glass content of 66% by volume or 80% by mass and a matrix content of 34% by volume or 20% by mass -LED radiation. However, the composite material is in the form of a pultrusion round profile with a diameter twice as large as in the example according to Table 6, ie a diameter of 16 mm and accordingly a distance from the center of the profile of 8 mm.
Rechnerisch werden diese 8 mm von 5,28 mm Glasfaserfibrillen und von einer Matrix von 2,72 mm gebildet. Tabelle 7
Bei Wellenlängen von 390 nm und von 410 nm beträgt die Durchlässigkeit der Glasfasern für die schmalbandige UV-Strahlung jeweils immer noch 100 %, während die Durchlässigkeit bei einer Wellenlänge von 365 nm bei diesem Durchmesser des Rundprofils nur noch 14,2 % beträgt. Die größte Durchlässigkeit der Matrix besteht für die UV-Strahlung bei einer Wellenlänge von 410 nm, die immerhin noch bei 59 % liegt und aufgrund der 100-prozentigen Durchlässigkeit der Glasfasern gleichzeitig auch der ankommenden Strahlung entspricht. Der Wert der ankommenden Strahlung einer Wellenlänge von 390 nm beträgt bei diesem Rundprofildurchmesser noch 16,6 %. Bei 365 nm besteht mit 0,57 % nur noch eine geringe Durchlässigkeit der Matrix für die UV-Strahlung.At wavelengths of 390 nm and 410 nm, the transmittance of the glass fibers for the narrow-band UV radiation is still 100%, while the transmittance at a wavelength of 365 nm with this diameter of the round profile is only 14.2%. The maximum permeability of the matrix is for UV radiation at a wavelength of 410 nm, which is still 59% and, due to the 100% permeability of the glass fibers, also corresponds to the incoming radiation. The value of the incoming radiation with a wavelength of 390 nm is still 16.6% with this round profile diameter. At 365 nm, the transmittance of the matrix for UV radiation is only 0.57%.
Für das Verfahren zur Härtung des Glasfasercompositmaterials wird eine UV-Strahlung durch UV-LED-Lampen mit einem Wellenlängenbereich bevorzugt im Bereich von 410 bis 415 nm erzeugt. Die Ergebnisse bestätigen diese Auswahl, da bei 410 nm die Werte für die ankommende Strahlung am höchsten waren. For the process of curing the glass fiber composite material, UV radiation is generated by UV LED lamps with a wavelength range preferably in the range from 410 to 415 nm. The results confirm this choice, as the values for the incoming radiation were highest at 410 nm.
Es wurde bei dieser durch UV-LED-Lampen erzeugten Wellenlänge von 410 nm eine UV-Polymerisation mit einem Glasfasercompositmaterial in Form eines Rundprofils von 6,2 mm durchgeführt. Der Glasfasergehalt betrug 66 Vol-%, während der Gehalt der Matrix 34 Vol-% betrug. Die Matrix enthält ein ungesättigtes Polyesterharz (UP-Harz). Die Matrix enthält des Weiteren einen Photosensibilisator Bis(2,4,6-trimethylbenzoyl)-phenylphosphinoxid zu 0,63 Massen-% der Matrix.UV polymerization was carried out with a glass fiber composite material in the form of a round profile of 6.2 mm at this wavelength of 410 nm generated by UV LED lamps. The glass fiber content was 66% by volume while the matrix content was 34% by volume. The matrix contains an unsaturated tes polyester resin (UP resin). The matrix also contains a photosensitizer bis(2,4,6-trimethylbenzoyl)phenylphosphine oxide at 0.63% by mass of the matrix.
Polymerisationsgeschwindigkeitrate of polymerization
Es konnte ein Umsatz von 58,6 % in 6,33 s, das heißt 9,257 %/s, erzielt werden. Als zweiter Wert konnten 45,1 % in 4,75 s, das heißt 9,49 %/s als Polymerisationsgeschwindigkeit ermittelt werden.A conversion of 58.6% could be achieved in 6.33 s, ie 9.257%/s. The second value determined was 45.1% in 4.75 s, ie 9.49%/s as the polymerization rate.
Ein Vergleich der möglichen Durchlaufgeschwindigkeiten des Rundprofils bei einer thermischen Polymerisation und einer UV-LED-gestützten Polymerisation ergibt, dass die mögliche Durchlaufgeschwindigkeit für eine thermische Polymerisation 5 m/min beträgt, während die mögliche Durchlaufgeschwindigkeit für eine UV-LED-gestützte Polymerisation 12 m/min ist.A comparison of the possible throughput speeds of the round profile in thermal polymerisation and UV-LED-assisted polymerisation shows that the possible throughput speed for thermal polymerisation is 5 m/min, while the possible throughput speed for UV-LED-assisted polymerisation is 12 m/min. min is
Beispiel 4:Example 4:
Die Tabelle 8 zeigt die Transmission von Strahlung durch mit Brandhemmer BÜFA®-Firestop S 480 getränkte Glasmatten bei unterschiedlichen Wellenlängen im Bereich von 200 bis 600 nm.Table 8 shows the transmission of radiation through glass mats soaked with fire retardant BÜFA®-Firestop S 480 at different wavelengths in the range from 200 to 600 nm.
Bei BÜFA®-Firestop S 480 handelt es sich um ein hoch pigmentiertes System, bei dem neben dem Brandhemmer ein Phosphorester als Pigment vorliegt. Das optische Verhalten pigmentierter Schichten hinsichtlich Absorption und Streuung ist unter anderem niedergelegt bei H. Hunger, W. Herbst, „Industrielle organische Pigmente“, VCH Verlagsgesellschaft, 1987, ISBN 3-527-26319-5, S. 52 bis 54. Das ins Innere des Composites eintretende Licht wird durch Streuung mehr oder weniger stark in seiner Ausbreitungsrichtung abgelenkt und durch Absorption in Wärme umgewandelt.BÜFA®-Firestop S 480 is a highly pigmented system in which a phosphoric ester is present as a pigment in addition to the fire retardant. The optical behavior of pigmented layers in terms of absorption and scattering is laid down, inter alia, in H. Hunger, W. Herbst, "Industrial Organic Pigments", VCH Verlagsgesellschaft, 1987, ISBN 3-527-26319-5, pp. 52 to 54. The ins Light entering the composite is deflected to a greater or lesser extent in its propagation direction by scattering and converted into heat by absorption.
Die Absorption schwächt die Strahlung. Die Streuung bringt Teile der Lichtenergie in verschiedene Ausbreitungsrichtungen. Dies bewirkt, dass ein Teil der einfallenden Strahlung wieder an der beleuchteten Fläche austritt. Die Größe dieses Anteils hängt von der Stärke der Lichtstreuung und von der Größe der Absorption ab. Tabelle 8
Tabelle 8 zeigt die Transmission in [%] in Abhängigkeit von der Wellenlänge der einfallenden Strahlung. Die Werte zeigen, dass beim geradlinigen Durchgang der Strahlung diese fast komplett absorbiert wurde. Bei Bestrahlung mit UV-LED mit einer Wellenlänge 410 nm und Polymerisation konnte nur eine Eindringtiefe von maximal 0,5 mm erreicht werden.Table 8 shows the transmission in [%] as a function of the wavelength of the incident radiation. The values show that when the radiation passed through in a straight line, it was almost completely absorbed. When irradiated with a UV LED with a wavelength of 410 nm and polymerisation, a maximum penetration depth of 0.5 mm could only be achieved.
Das Compositmaterial lag in Form eines Pultrusions-Rundprofils mit einem Glasgehalt von 23,5 Volumen-% beziehungsweise 37,5 Massen-%, einem Matrixgehalt (BÜFA®-Firestop S 480) von 76,5 Volumen-% beziehungsweise 62,5 Massen-% am Rundprofil vor. Der Durchmesser betrug 5 mm, dementsprechend die Entfernung vom Profilzentrum 2,5 mm. Eine Durchpolymerisation wurde bei einer Verweilzeit in der UV-LED-Anlage von 28,5 s bei einer Wellenlänge von 410 nm erreicht.The composite material was in the form of a pultrusion round profile with a glass content of 23.5% by volume or 37.5% by mass, a matrix content (BÜFA®-Firestop S 480) of 76.5% by volume or 62.5% by mass. % on the round profile. The diameter was 5 mm, correspondingly the distance from the center of the profile was 2.5 mm. Complete polymerisation was achieved with a residence time in the UV LED system of 28.5 s at a wavelength of 410 nm.
Beispiel 5Example 5
Es wurde zum Vergleich jeweils eine UV-Polymerisation mit einem Glasfasercompositmaterial, welches einen Glasfaseranteil von 66 Volumen-% und 80 Massen-% sowie einen Matrixanteil, welcher styrolisches UP-Harz enthält, von 34 Volumen-% und 20 Massen-% aufweist, unter Verwendung eines herkömmlichen, Fe-dotierten UVH-Strahlers einerseits und mit einem UV-LED-Strahler bei 410 nm andererseits durchgeführt. Bei Verwendung des UVH-Strahlers wurde der Matrix der Photosensibilisator Omnirad 819 mit 0,0075 Massenteilen beziehungsweise einer Konzentration von 0,000071 Mol/I beigemengt. Bei Verwendung des UV-LED-Strahlers konnten der Matrix 0,75 Massenteile beziehungsweise 0,007142 Mol/I des gleichen Photosensibilisators zugesetzt werden. Die Stärke des Pultrusionsstranges betrug jeweils 2,4 mm.For comparison, a UV polymerization with a glass fiber composite material which has a glass fiber content of 66% by volume and 80% by mass and a matrix content which contains styrenic UP resin of 34% by volume and 20% by mass was carried out Using a conventional, Fe-doped UVH emitter on the one hand and a UV LED emitter at 410 nm on the other hand. When using the UVH radiator, the photosensitizer Omnirad 819 was added to the matrix with 0.0075 parts by mass or a concentration of 0.000071 mol/l. When using the UV LED radiator, 0.75 parts by mass or 0.007142 mol/l of the same photosensitizer could be added to the matrix. The thickness of the pultrusion strand was 2.4 mm in each case.
Die Verwendung des herkömmlichen UVH-Strahlers hatte zum Ergebnis, dass nur eine temporäre Oberflächentrockenheit des Compositmaterials erreicht wurde und dass es zu einer Ausdiffusion niedermolekularer Polymeranteile und einem Anstieg der Oberflächenklebrigkeit kam, was zu Einschränkungen der Verwendbarkeit des Produktes führte.The result of using the conventional UVH emitter was that the surface dryness of the composite material was only temporary and that there was outdiffusion of low-molecular polymer components and an increase in surface tack, which limited the usability of the product.
Die Verwendung eines UV-LED-Strahlers und somit von schmalbandiger UV-LED-Strahlung einer Wellenlänge von 410 nm führte dagegen zu einer stabilen Oberflächentrockenheit und somit zu keinen Einschränkungen hinsichtlich der Verwendbarkeit des Produktes.On the other hand, the use of a UV LED emitter and thus narrow-band UV LED radiation with a wavelength of 410 nm led to a stable surface dryness and thus to no restrictions in terms of the usability of the product.
Claims (8)
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