DE19719721C1 - UV-Dosimeterfolie - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft Test-, Dosimeter- oder Indikator
materialien, die im ultravioletten Wellenlängenbereich
empfindlich sind, insbesondere UV-empfindliche Teststreifen
zur Messung von UV-Strahlungsmengen, und Verfahren zu deren
Herstellung und Verwendung.
Die Strahlenhärtung mit Elektronen- oder UV-Strahlen ist ein
wirksames Verfahren zur Erzeugung von Oberflächen mit
bestimmten gewünschten Eigenschaften wie Härte, Glanz, Kratz
festigkeit oder Chemikalienbeständigkeit. Dieses Verfahren ist
insbesondere sauber, emissionsfrei und relativ energiesparend.
Im Bereich der Bestrahlung und Härtung bestimmter Materialien
(z. B. Druckfarben, photovernetzbare Klebstoffe, Beschichtungen
von Möbeln, Türen oder anderen Holzerzeugnissen) werden neben
Elektronenstrahlen zunehmend UV-Strahlen verwendet. Bei der
Anwendung der Strahlenhärtung besteht ein Interesse daran, die
zugeführte Strahlung exakt zu dosieren. Einerseits muß sicher
gestellt werden, daß die gewünschte Härtung bis in eine
genügende Beschichtungstiefe erfolgt. Andererseits kann durch
Vermeidung einer übermäßigen Bestrahlung Energie gespart, die
Produktivität von Anlagen erhöht und eine Überhärtung der zu
behandelnden Oberfläche vermieden werden.
Zur optimalen, reproduzierbaren Dosierung unter verschie
densten Anwendungsbedingungen ist eine Messung der aktuellen
Strahlungsleistung einer UV-Quelle und eine regelmäßige
Prüfung der Lampenleistung der UV-Quelle durchzuführen, um
eine hohe Bestrahlungs- bzw. Härtungsqualität sicherzustellen.
Es ist bekannt, UV-Strahlen mit Sensoren auf optoelektro
nischer Basis oder mit Testmaterialien zu messen, die zur
Realisierung photochemischer Umwandlungen bei UV-Bestrahlung
eingerichtet sind.
Optoelektronische Sensoren sind in der Regel kompakte
Meßgeräte, die wegen der räumlichen Ausdehnung der opto
elektronischen Sensoren nicht zusammen mit der zu beschich
tenden Oberfläche (z. B. Rollenware) an der UV-Quelle vorbeizu
führen sind, da der Quellen-Oberflächen-Abstand nicht aus
reicht.
Ein weiterer Nachteil von optoelektronischen Sensoren (ins
besondere auf der Basis von Lichtleiterfasern) besteht in
deren Empfindlichkeit gegen das Auftreten von Staub, Farb
nebeln und anderen Verschmutzungen.
Photochemische Testmaterialien basieren auf photochemischen
Umwandlungen infolge von Strahlungsabsorption. So ist aus
US 4 788 433 bekannt, mit einem photochemischen Testmaterial
die Sonnenbestrahlung von Haut zu messen. Ferner wird in
US 5 411 835 ein photochromatisches Material beschrieben, das
bei Absorption im Wellenlängenbereich von 290 bis 365 nm eine
Änderung zeigt. Die Farbänderungen von photochemischen Test
materialien, die in US 5 028 792 und US 5 436 115 beschrieben
sind, werden durch UV-induzierten Protonentransfer ausgelöst.
Diese bekannten photochemischen Testmaterialien sind zum
Einsatz bei der oben angegebenen technischen Anwendung nicht
geeignet, da sie dazu eingerichtet sind, eine UV-Bestrahlung
über einen längeren Zeitraum zu bestimmen. Die Empfindlichkeit
der bekannten Materialien reicht nicht aus, um eine UV-
Bestrahlung, die beispielsweise bei Härtungsanlagen im
Millisekundenbereich liegt, zu erfassen oder anzuzeigen.
Aus DE-OS-41 17 962 ist eine lichtempfindliche Zusammensetzung
bekannt, die entweder ein alkalilösliches Harz oder eine
radikalisch-polymerisierbare, ungesättigte Verbindung und eine
Diazoniumverbindung umfaßt und gegenüber Licht im
Ultraviolettbereich und im sichtbaren Bereich empfindlich ist.
Es besteht ein Interesse an einer wirksamen UV-Messung, die
sowohl die Empfindlichkeit optoelektronischer Sensoren als
auch die einfache Handhabbarkeit photochemischer Materialien
besitzt. Dieses Interesse ist nicht auf die obengenannte
Strahlenhärtung beschränkt, sondern betrifft sämtliche
Anwendungen, bei denen mit hoher Genauigkeit bei relativ
kurzen Bestrahlungszeiten Strahlungsmengen exakt zu erfassen
sind.
Die Aufgabe der Erfindung ist, ein verbessertes UV-empfind
liches Material, das eine hohe Empfindlichkeit und eine
einfache Handhabbarkeit aufweist, und Verfahren zu dessen
Herstellung und Verwendung anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch Dosimetermaterial bzw. ein Verfahren
mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 7
gelöst. Eine erfindungsgemäße Verwendung des Dosimeter
materials ist in Patentanspruch 9 angegeben. Vorteilhafte
Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unter
ansprüchen.
Grundlage der Erfindung ist die Schaffung eines hochempfind
lichen Dosimetermaterials mit einer Diazoniumverbindung, die
eine Absorption im ultravioletten Wellenlängenbereich besitzt
und in einem Bindemittel angeordnet ist. Das Bindemittel mit
der inkorporierten Diazoniumverbindung ist vorzugsweise
schichtförmig auf einem Trägermaterial angeordnet oder bei
genügender Bindemitteldicke als freitragende Dosimeterschicht
ausgebildet.
Das Trägermaterial ist vorzugsweise ein flexibles oder bieg
sames Material, z. B. eine Folie oder ein Material auf der
Grundlage von Papier oder auch ein dünnes Metallblech oder
eine Glasplatte. Das Trägermaterial kann aber auch starr
ausgebildet sein. Das Trägermaterial ist insbesondere beim
Einsatz bei Bestrahlungen von Material, das auf einem
Transportband an einer UV-Quelle (UV-Strahler, UV-Lampe oder
dgl.) vorbeigeführt wird, in Schichtform ausgebildet. Die
Schichtdicke ist dann geringfügig kleiner als der Abstand
zwischen der UV-Quelle und der Oberfläche des zu bestrahlenden
Materials.
Die UV-empfindliche Diazoniumverbindung wird
durch ein Diazoniumsalz gebildet, das die allgemeine Formel:
besitzt. Dabei werden R1, R2, R3 und das Gegenion X-
entsprechend einer Kombination aus den folgenden Möglichkeiten
ausgewählt.
R1: H, Halogen, Alkyl mit C1-C5 (vorzugsweise C1, C2), Alkoxy mit C1-C5 (vorzugsweise C1, C2), Aryloxy,
R2: H, Halogen, Alkyl mit C1-C5 (vorzugsweise C1, C2), Alkoxy mit C1-C5 (vorzugsweise C1, C2), Aryloxy, NR'R''(R', R'' gleiche oder verschiedene Alkylverbindungen oder heterozyklische Armine, z. B. Morpholin, Piperidin oder dgl.), oder COOR4 (R4 Alkyl mit C1-C5), und
R3: H, Alkoxy mit C1-C5, und
X-: Anionen, die in der Diazotypie gebräuchlich sind, z. B. BF4, ZnCl2, PF6, BPh4, oder perfluorierte aliphatische oder aromatische Anionen, z. B. Perfluaroktanat, Per fluarotetraphenylboranat.
R1: H, Halogen, Alkyl mit C1-C5 (vorzugsweise C1, C2), Alkoxy mit C1-C5 (vorzugsweise C1, C2), Aryloxy,
R2: H, Halogen, Alkyl mit C1-C5 (vorzugsweise C1, C2), Alkoxy mit C1-C5 (vorzugsweise C1, C2), Aryloxy, NR'R''(R', R'' gleiche oder verschiedene Alkylverbindungen oder heterozyklische Armine, z. B. Morpholin, Piperidin oder dgl.), oder COOR4 (R4 Alkyl mit C1-C5), und
R3: H, Alkoxy mit C1-C5, und
X-: Anionen, die in der Diazotypie gebräuchlich sind, z. B. BF4, ZnCl2, PF6, BPh4, oder perfluorierte aliphatische oder aromatische Anionen, z. B. Perfluaroktanat, Per fluarotetraphenylboranat.
Dabei können R1, R2 und R3 gleich oder verschieden gewählt
sein. Vorzugsweise sind jedoch R1 oder R2 eine Alkoxy-
Verbindung.
Als Bindemittel wird erfindungsgemäß eine Polymerverbindung
verwendet. Bevorzugte Polymerverbindungen sind Zelluloseester
(insbesondere Zelluloseacetat und -propionate), Polyvinyl
butyrale, Polyvinylacetat oder Polycarbonat oder Zusammen
setzungen aus diesen.
Erfindungsgemäß kann das Bindemittel mit der inkorporierten
UV-empfindlichen Diazoniumverbindung zusätzlich eine Stabili
satorsäure enthalten. Als Stabilisatorsäure wird vorzugsweise
eine organische Carbon-, Dicarbon- oder Sulfonsäure, z. B. Tri
chloressigsäure, Bernsteinsäure, Zitronensäure, Sulfosalicyl
säure oder Toluensulfonsäure, verwendet.
Ein UV-empfindliches Dosimetermaterial wird hergestellt, indem
eine Bindemittellösung oder -dispersion zur Bildung der oben
angegebenen Polymerverbindungen mit einem geeigneten Lösungs
mittel angesetzt und eine oder mehrere der oben angegebenen
Diazoniumverbindungen zugesetzt werden. Nach schichtförmigem
Auftrag auf einem Trägermaterial erfolgt ein Lösungsmittel
entzug (Trocknung). Bei genügender Schichtdicke, die
beispielsweise durch einen mehrfachen Auftrag nach Trocknung
des vorhergehenden Auftrags erzielt werden kann, ist es
möglich, das Bindemittel mit der inkorporierten Diazonium
verbindung vom Trägermaterial zur Bildung eines freitragenden
Dosimetermaterials abzulösen. Der Auftrag auf das Träger
material erfolgt durch eine übliche Beschichtungstechnik wie
Bepinseln, Besprühen, Gießen, Tauchen oder dgl. Beim Ansatz
der Beschichtungslösung kann ferner eine Stabilisatorsäure wie
oben genannt, zugesetzt werden.
Die UV-empfindliche Diazoniumverbindung wird bei UV-Absorption
in Bestandteile geringerer Absorption zerlegt (Zerstörung der
Diazoniumverbindung). Der Anteil der inkorporierten Diazonium
Verbindung, der durch die UV-Bestrahlung zerstört wird, ist
abhängig von der Strahlungsmenge oder UV-Dosis. Der Anteil der
zerstörten Diazoniumverbindung wird entsprechend einer der
folgenden Vorgehensweisen ermittelt.
Ein erstes Verwendungs- oder Auswertungsverfahren basiert
darauf, die Extinktion der nach Bestrahlung im Dosimeter
material noch vorhandenen Diazoniumverbindung durch ein
geeignetes Absorptions- oder Transmissionsmeßgerät direkt zu
bestimmen. Diese Bestimmung kann in einem separaten Vorgang
unabhängig von einem Meß-Bestrahlungsvorgang durchgeführt
werden. Um diese Extinktionsbestimmung zu erleichtern, wird
vorzugsweise ein freitragendes Dosimetermaterial oder ein UV-
durchlässiges Trägermaterial verwendet. Eine Extinktions
bestimmung aus einer Reflektionsmessung ist jedoch auch
möglich.
Die Differenz zwischen der Extinktion der bestrahlten Probe
und der Extinktion der unbestrahlten Probe ist ein direktes
Maß für die aufgetroffene Strahlungsmenge (Photonenzahl).
Entsprechend einem zweiten Auswertungsverfahren ist es möglich,
dem Dosimetermaterial bei der Herstellung eine Kupplungs
komponente zuzusetzen, die dazu eingerichtet ist, nach der
Bestrahlung bei einem Entwicklungsschritt den nicht zerstörten
Anteil der Diazoniumverbindungen in einen Azofarbstoff umzu
setzen. Als Kupplungskomponente ist ein in der Diazotypie
gebräuchlicher Kuppler einsetzbar. Der Kuppler kann beispiels
weise eine CH-acide Verbindung (z. B. Acetoacetanilid oder
Cyanessigsäuremorpholid), eine heterozyklische Verbindung
(z. B. substituierte Pyrazolone, Triazoliumsalze) oder ein
Kuppler mit einem phenolischen oder naphtholischen Grundgerüst
(z. B. Resorcin, Beta-Naphthol, substituierte Naphthoesäure
anilide) sein.
Die Entwicklung des kupplerhaltigen Dosimetermaterials
erfolgt, indem dieses nach der Bestrahlung einer alkalischen
Lösung (z. B. Ammoniumwasser, Natrium- oder Ammoniumcarbonat
lösung, alkalische Pufferlösung oder dgl.) oder einer ent
sprechenden alkalischen Gasatmosphäre (z. B. Ammoniakdampf oder
dgl.) ausgesetzt wird. Die nach der Bestrahlung in dem Dosi
metermaterial noch vorhandene Diazoniumverbindung und der
Kuppler werden in einen Azofarbstoff umgesetzt, dessen Menge
nach dem Entwicklungsschritt durch einen Meßschritt spektros
kopisch ermittelt wird. Die spektroskopische Messung erfolgt
beispielsweise mit einem Spektralphotometer, Densitometer oder
Reflexionsmeßgerät). Die ermittelte Farbdichte des Azofarb
stoffs (Extinktion) ist ein umgekehrt porportionales Maß für
die absorbierte Strahlungsmenge.
Gemäß einer bevorzugten Verwendung des erfindungsgemäßen
Dosimetermaterials werden UV-empfindlich beschichtete Träger
materialstreifen (z. B. aus Folie oder Papier) mit einer
möglichst geringen Gesamtschichtdicke zusammen mit dem zu
bestrahlenden Material durch eine UV-Bestrahlungsanlage
geführt. Die UV-empfindliche Diazoniumverbindung im Dosimeter
material wird dosisabhängig zerstört. Der Anteil der
zerstörten Verbindung wird anschließend gemäß einem der oben
genannten Verfahren gemessen.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß das Dosimeter
material einfach und reproduzierbar herstellbar ist, bei einem
zu überwachenden Bestrahlungsvorgang ohne ein zusätzliches
Meßgerät eingesetzt werden kann, weitgehend unempfindlich
gegen Verunreinigungen ist und eine gegenüber herkömmlichen
photochemischen Testmaterialien wesentlich erhöhte Empfind
lichkeit aufweist. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus den im folgenden zusammengestellten Beispielen erfindungs
gemäßer Dosimetermaterialien.
- 1. Eine Polyethylenterephthalatfolie wird mit folgender
Zusammensetzung beschichtet:
1 g Cellulosediacetat
9 g Aceton
0,06 g 2,4-Dimethoxybenzendiazoniumtetrafluoroborat
0,01 g Sulfosalicylsäure.
Man erhält etwa 300 cm2 beschichtetes Material, welches zu Streifen geschnitten wird. Diese Streifen werden auf einem Transportband an einer UV-Bestrahlungsanlage vorbeigeführt. Der UV-Strahler hat eine Stärke von 120 W/cm. Bei einer Geschwindigkeit von 100 m/min nimmt die Dichte des Diazoniumsalzes um etwa 30% ab. Die Dichtemessung erfolgt an einem Spektralphotometer. - 2. 100 g einer 12% Polyvinylbutyrallösung in Alkohol, die
0,7 g 4-Methoxybenzendiazoniumhexafluorophosphat und
0,2 g Zitronensäure
enthält, werden mit einer Schichtdicke von etwa 8 µm auf Celluloseacetatfolie aufgetragen. Die UV-Bestrahlung wird wie unter 1. durchgeführt. Bei einer Bestrahlungszeit von 20 ms nimmt die Dichte um etwa 50% ab. - 3. 10 g einer 9%igen Celluloseacetat/-propionatlösung in
Methanol/Methylenchlorid wird mit einem Rakel auf
polyethylenbeschichtetes Papier aufgetragen. In der Lösung
befindet sich außerdem
0,02 g 2-Ethoxybenzendiazoniumtetrafluoroborat und
0,8 g P-Toluensulfonsäure
0,03 g 2-Hydroxy-3-naphthoesäureanilid als Kupplungs komponente.
Nach der Bestrahlung (siehe 1.) wird der Teststreifen in konzentrierter Ammoniumacetatlösung entwickelt. Die ent standene violette Farbe wird mit einem Macbeth-Densitometer vermessen. Bei einer Geschwindigkeit des Transportbandes von 50 m/min erhält man einen Restdiazoniumgehalt von 60%. - 4. Eine flexible Polyesterfolie wird mit der folgenden Lösung
beschichtet:
1,5 g Polyvinylacetat
10 g Aceton
2 g Methyl-Ethylketon
0,08 g 2-Methoxy-5-Chlorbenzendiazoniumperfluorooktanat
0,02 g Maleinsäure.
Die Bestrahlung erfolgt wie unter 1. beschrieben. Die Abnahme der Dichte bei einer Bestrahlungszeit von 10 ms liegt bei etwa 25%. - 5. 100 g einer 10% Celluloseacetatlösung in Aceton, die
0,8 4-Morpholino-2-mechoxybenzendiazoniumhexafluorophosphat und
0,3 g p-Toluensulfonsäure
enthält, wird mit einer Schichtdicke von etwa 10 µm auf Polyethylenterephthalat-Folie aufgetragen. Die UV-Be strahlung wird wie unter 1 durchgeführt. Bei einer Be strahlungszeit von 10 ms nimmt die Dichte um etwa 50% ab.
Claims (11)
1. UV-empfindliches Dosimetermaterial, das mindestens eine
Diazoniumverbindung, die eine Absorption im ultravioletten
Wellenlängenbereich besitzt, und ein Bindemittel enthält,
wobei die Dianzonium
verbindung ein Diazoniumsalz der Struktur
ist, wobei R1, R2, R3 und X- aus den folgenden Gruppen ausgewählt sind:
R1: H, Halogen, Alkyl mit C1-C5, Alkoxy mit C1-C5, Aryloxy,
R2: H, Halogen, Alkyl mit C1-C5, Alkoxy mit C1-C5, Aryloxy, NR'R'', R', R'' gleiche oder verschiedene Alkylverbindungen oder heterozyklische Amine, COOR4 (R4 Alkyl mit C1-C5), und
R3: H, Alkoxy mit C1-C5, und
X-: Anionen, die in der Diazotypie gebräuchlich sind, oder perfluorierte aliphatische oder aromatische Anionen.
ist, wobei R1, R2, R3 und X- aus den folgenden Gruppen ausgewählt sind:
R1: H, Halogen, Alkyl mit C1-C5, Alkoxy mit C1-C5, Aryloxy,
R2: H, Halogen, Alkyl mit C1-C5, Alkoxy mit C1-C5, Aryloxy, NR'R'', R', R'' gleiche oder verschiedene Alkylverbindungen oder heterozyklische Amine, COOR4 (R4 Alkyl mit C1-C5), und
R3: H, Alkoxy mit C1-C5, und
X-: Anionen, die in der Diazotypie gebräuchlich sind, oder perfluorierte aliphatische oder aromatische Anionen.
2. Dosimetermaterial gemäß Anspruch 1, bei dem das
Bindemittel ein Polymer ist.
3. Dosimetermaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, das
ein Stabilisatormittel enthält.
4. Dosimetermaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, das
eine Farbkupplerkomponente enthält.
5. Dosimetermaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei
dem das Bindemittel mit der Diazoniumverbindung schichtförmig
auf einem Trägermaterial angeordnet ist.
6. Dosimetermaterial gemäß Anspruch 5, bei dem das Träger
material ein schichtförmiges, flexibles Material ist.
7. Verfahren zur Herstellung eines UV-empfindlichen Dosimeter
materials gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend die
Schritte:
- 1. Ansatz einer Bindemittellösung oder -dispersion,
- 2. Zusatz der UV-absorbierenden Diazoniumverbindung, und
- 3. Lösungsmittelentzug und Trocknung.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem vor dem Lösungsmittel
entzug die Bindemittellösung oder -dispersion mit der inkor
porierten Diazoniumverbindung schichtförmig auf ein Träger
material aufgetragen wird.
9. Verfahren zur Messung einer UV-Strahlungsmenge mit einem
Dosimetermaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem
die absorbierte Strahlungsmenge aus einer Extinktionsmessung
am Dosimetermaterial ermittelt wird.
10. Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem bei der Extinktions
messung die Extinktion der Diazoniumverbindung im Dosimeter
material gemessen wird.
11. Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem nach UV-Bestrahlung
bei einem Entwicklungsschritt im Dosimetermaterial ein Azo
farbstoff gebildet wird und bei der Extinktionsmessung die
optische Dichte des Azofarbstoffs erfaßt wird.
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