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Verfahren Zllm aushärten lichtempfindlicher Harz chi hten
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aushärten lichtempfindlicher
Harzschichten, insbesondere unter Verwendung von mittels einer Blitzentladungslampe
erzeugtem Ultraviolettlicht.
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Erst vor wenig mehr als zehn Jahren wurde man auf die lichtempfindlichen
Harze aufmerksam. Die nachfolgenden Entwicklungsarbeiten haben jedoch zu einer bemerkenswert
schnellen Erweiterung ihrer Anwendung geführt, und zwar anfänglich bei Materialien
für das Photogravierverfahren und neuerdings auch bei Druckfarben, Überzugsmassen,
Klebstoffen und anderen industriellen Erzeugnissen.
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Diese Materialien werden in Form von Blättern, Filmen, Mustern und
Buchstaben verwendet, und sie werden durch Aushärten im Wege der Bestrahlung mit
UV-Licht aus dem flüssigen in den festen Zustand überführt. Chemisch betrachtet,
handelt es sich bei diesem Vorgang um eine durch das UV-Licht herbeigeführte Photopolymerisation
von Stoffen mit niedrigem Molekulargewicht, doch wird der Vorgang gelegentlich auch
auf dem Gebiet der Farben und Druckfarben als ~Trocknen" bezeichnet.
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Als UV-Lichtquelle benutzt man bis jetzt eine Quecksilberentladungslampe
oder eine Mischmetalldampf-Entladungslampe, d.h. eine Weiterbildung der Quecksilberentladungslampe,
bei der ein Teil des fecksilbers durch andere Metalle ersetzt ist. Diesen Lampen
haften jedoch die folgenden Nachteile an.
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1) Nach dem Einschalten der Lampe dauert es gewöhnlich mehrere Minuten
und selbst bei den neuesten Typen mehrere Zehntelsekunden, bis die gesamte vorgesehene
Lichtmenge erzeugt worden ist. Dies führt zu einem schlechten Wirkungsgrad während
des Betriebs.
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2) Bekanntlich ist es üblich, diese Schsierigkeit dadurch zu vermeiden,
daß man die Lampe in ein mit einem Verschluß versehenes Gehäuse einschließt und
daß man die Härtung durch intermittierendes Öffnen des Verschlusses durchführt.
Zu den sich bei diesem Verfahren ergebenden Nachteilen gehören jcdo<~l1 die komplizierte
Konstruktion des Gehäuses, die unbequem Handhabung und ein unnötig hoher Energieverbrauch.
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3) Um die gewünschte Emission von Licht in dem für die Photopolymerisation
erforderlichen Wellenlängenbereich zu gewährleisten, muß die Wand des Lampenkolbens
stets auf einer hohen Temperatur gehalten werden, -damit ständig ein hoher Dampfdruck
des Metalls aufrechterhalten wird. Dies hat zur Folge, daß der Lampenkolben nur
eine kurze Lebensdauer erreicht. Außerdem besteht die Gefahr, daß wegen der Erzeugung
großer Wärmemengen in Verbindung mit der erforderlichen längeren Bestrahlungszeit
die scharfe Wiedergabe von Bildern auf physikalischem Wege oder durch eine thermochemische
Reaktion beeinträchtigt wird, die gleichzeitig mit der photochemischen Reaktion
abläuft; dies gilt insbesondere für sich aus feinen Linien zusammensetzende Buchstaben
und Muster.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Verfahren
zum Aushärten lichtempfindlicher Harzschichten anzugeben, bei dem die vorstehend
genannten Nnchteile vermieden sind. Genauer gesagt, ist durch die Erfindung ein
Verfahren zum Aushärten lichtempfindlicher Harzschichten geschaffen worden,bei denen
der Hauptspitzenwert der Lichtempfindlichkeit in einem Wellenbereich nicht über
4500 R liegt, so daß es möglich ist, feste Schichten mit hilfe einer Blitzentladungslampe
zu erzeugen, bei welcher der Glaskolben als Hauptbestandteil
ein
seltenes Gas enthält und bei der die Energiestrahlungsdichte Q (joule/cm3 ms) im
Bereich von 0,1 < Q # 450 gehalten wird. Die Energiestrahlungsdichte Q wird durch
die nachstehende Gleichung ausgedrückt: Q = J/(-4 D2Lt) Hierin ist J elektrische
Eingangsenergie für Emission (joule) D Innendurchmesser der Blitzentladungslampe
in cm L Blitzentladungsabstand in cm t Impulsbreite bei einem Drittel des Spitze-Spitze-Wertes
der Strömwellenform und P Kreiskonstante.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum
Aushärten von Itarzscllichten an#-.ugeben, bei denen der Hauptspitzenwert der Lichtempfindlichkeit
in einem Wellenbereich von nicht über 4500 a liegt, bei dem eine Blitzentladungslampe
benutzt wird, deren Glaskolben als Hauptbestandteil ein seltenes Gas enthält,und
bei dem die Impulsbreite t (bei einem Drittel der Spitzenhöhe) des mit Hilfe der
Blitzentladungslampe erzeugten Lichtblitzes im Bereich von 0,05 ms t t # 4 ms gehalten
wird.
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Kurz gesagt, besteht die Erfindung darin, daß als UV-Lichtquelle eine
Blitzentladungslampe verwendet wird, bei der es sich um eine Kaltlichtquelle handelt,
die geeignet ist, praktisch augenblicklich die insgesamt benötigte Lichtmenge zu
erzeugen, wobei die Emissionsenergie der Blitzentladungslampe in vernünftigen Grenzen
gehalten wird.
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Zwar werden Blitzentladungslampen bereits zu verschiedenen technischen
Zwecken verwendet, doch hat es sich gezeigt, daß man sie mit Erfolg zum Aushärten
lichtempfindlicher Harzschichten einsetzen kann, wie es durch die Erfindung ermöglicht
wird,
wenn bestimmte Bedingungen eingehalten werden, die durch eingehende und umfassende
Untersuchungen ermittelt worden sind.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand schematischer Zeichnungen an
einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine Vorrichtung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und Fig. 2 den Aufbau einer gemäß
der Erfindung verwendeten Blitzentladungslampe und der zugehörigen Speiseschaltung.
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In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt,
bei der eine Druckfarbeschicht 2, mit der eine Acrylharzplatte 1 bedruckt worden
ist und die eine Stärke VO etwa 20 Mikrometer hat, mittels einer Blitzentladungslampe
4 ausgehärtet wird, über der ein Spiegel 3 angeordnet ist. Fig.
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2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Blitzentladungslampe 4
und der an sie angeschlossenen Speiseschaltung. Zu der Lampe gehört ein Tragrahmen
3' für eine reflektierende Innenfläche, die dazu dient, den Lichtblitz möglichst
verlustfrei auf den zu bestrahlenden Gegenstand zu leiten, ferner ein Glaskolben
5, Kappen 6 aus Metall zum luftdichten Verschließen des Lampenkolbens, eine Kathode
7 und eine Anode 8; die Strecke L bezeichnet den Entladungsabstand und D den Innendurchmesser
des Lampenkolbens. Zu der Speiseschaltung für den Betrieb der Blitzentladungslampe
4 gehören ein lIochspannungsgenerator HV, der über einen Ladewiderstand R, einen
Entladungskondensator C und einen Triggerschalter SW angeschlossen ist; mit dem
Hochspannungsgenerator HV ist eine Triggerelektrode 9 verbunden. Wird der Triggerschalter
SW geschlossen, um ein hohes elektrisches Potential an die Blitzentladungslampe
anzulegen und die Gasfüllung des Lampenkolbens zu ionisieren, wird die in dem Entladungskondensator
C gesammelte elektrische Ladung entladen, um die Lampe zu ver.'1nla#;.en,
einen
Lichtblitz zu erzeugen.
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Bei der Druckfarbe 2 handelt es sich um eine Offsetdruckfarbe, bei
welcher der Hauptspitzenwert der Lichtempfindlichkeit nicht über 4500 2 liegt, z.B.
um die Type ~Toka UV-Cure BP" (Toka Shikiso Kagaku Kogyo). Diese Druckfarbe läßt
sich durch Bestrahlen mit UV-Licht der Blitzentladungslampe augenblicklich aushärten,
ohne daß sich irgendwelche nachteiligen thermischen Wirkungen ergeben. Beispielsweise
konnte eine Schicht, die aus Zahlen, Symbolen, Buchstaben usw. bestand, welche mit
einer Dicke von etwa 20 Mikrometer aufgedruckt waren, augenblicklich ausgehärtet
und in eine einwandfreie feste Schicht verwandelt werden, wenn die Bestrahlung unter
den folgenden Bedingungen erfolgte: Entladungsstrecke L = 26 cm, Innendurchmesser
des Lampenkolbens D = 0,8 cm, Druck der Xenongasfüllung = 200 mm Hg, Emissionsenergie
J = 800 joule (zur Erzielung einer Energiestrahlungsdichte Q = 20,4) sowie eine
Blitzlichtimpulsbreite t = 3 ms. Es wurden mehrere Blitzentladungslampen mit unterschiedlichen
Kolbendurchmessern von mindestens 0,3 cm und unterschiedlichen Entladungsstrecken
von mindestens 3 cm hergestellt, und ihre Glaskolben wurden mit Yenon oder anderen
seltenen Gasen oder Gemischen daraus gefüllt. Es wurden Versuche ähnlich dem vorstehend
beschriebenen durchgeführt, wobei diese Lampen verwendet wurden und wobei der Q-Wert
im Bereich von 0,01 bis 600 variierte. Diese Versuche zeigten, da#ß ein Teil der
Druckfarbeschicht ungehärtet bleibt, wenn Q unter 0,1 liegt. Beträgt dagegen der
U-Wert mehr als 450, entstehen in der ausgehärteten Druckfarbeschicht Blasen. Im
ersteren Fall kann die Ursache darin liegen, daß nur eine unzureichende Menge an
UV-Licht im Wellenlängenbereich unter 4500 2 vorhanden~war; das Entstehen von Blasen
kann darauf zurückzuführen sein, daß innerhalb einer gegebenen Zeit eine zu große
Energiemenge abgegeben wird. Jedenfalls lassen sich einwandfreie Ergebnisse nur
im Bereich von 0,1 4 Q < 450 erzielen.
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Bei einer weiteren Versuchsreihe, bei der Q im Bereich von 0,01 bis
6 variiert wurde, zeigte es sich, daß dann, wenn Q unter 0,05 liegt, ein Teil der
Druckfarbeschicht unausgehärtet bleibt; ist Q dagegen größer als 4, entstehen Blasen
in der ausgehärteten Druckfarbeschicht. Im ersteren Fall liegt die Ursache vermutlich
in einem unvollständigen Ablauf der durch das Licht herbeigeführten Radikalpolymerisation
als Folge einer unzureichenden Belichtungszeit; im zweiten Fall besteht dagegen
die Wahrscheinlichkeit, daß die Polymerisation durch Wärme nachteilig beeinflußt
wird, da die Wirkung eines erhöhten Anteils von Wärmestrahlen (7000## 2 oder darüber
J mit der Wirkung der Impulsbreite kombiniert wird. In jedem Fall lassen sich einwandfreie
Ergebnisse nur innerhalb des Bereichs von 0,05 t"C 4 erzielen.
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Gemäß der vorstehenden Beschreibung ist durch die Erfindung ein Verfahren
zum Aushärten lichtempfindlicher Harzschichten und zur Erzeugung einwandfreier fester
Filme geschaffen worden, bei dem die bei den bekannten Verfahren auftretenden Nachteile
vermieden sind, und zwar dadurch, daß als UV-Lichtquelle eine Blitzentladungslampe
verwendet wird, bei der es sich um eine Kaltlichtquelle handelt, die geeignet ist,
augenblicklich die benötigte Gesamtlichtmenge zu erzeugen, und daß die durch die
Blitzentladungslampe erzeugte Emissionsenergie auf geeignete Weise geregelt wird;
das erfindungsgemäße Verfahren ist in der Praxis sehr vorteilhaft.