DE3529800A1

DE3529800A1 - Verfahren und vorrichtung zur uv-polymerisation von beschichtungsmassen

Info

Publication number: DE3529800A1
Application number: DE19853529800
Authority: DE
Inventors: Bernhard St. Gallen Glaus
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-08-31
Filing date: 1985-08-20
Publication date: 1986-03-06
Also published as: CH660489A5; US4644899A

Description

Verfahren und Vorrichtung zur UV-Polymerisation
von Beschichtungsmassen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur UV-Polymerisation von Beschichtungsmassen gemäss dsm Oberbegriff von Anspruch 1 sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gernäsö dem Oberbegriff von Anspruch 2. Durch UV-Polymerisation werden Beschichtungsmassen wie Lacke, Farben und Spaehtelmaterialien gehärtet und getrocknet, die unter ultravioletter Strahlung reagieren. Diese Technik ist bereits seit Jahrzehnten bekannt und wird insbesondere in der Drucktechnik eingesetzt. Die Farbe oder der Lack bleibt bis zur Verarbeitung fliessfähig und kann nach dem Druckvorgang unter dem Einfluss der UV-Strahlen schlagartig verfestigt werden.

Einen Gesamtüberblick über den Stand der Technik der UV-Polymerisation in der Drucktechnik vermittelt der Aufsatz von Wolfgang Grebe "Die UV-Technologie in Druck- und Packstoffveredlung" in der Zeitschrift Papier + Kunststoff-Verarbeiter, Hefte 12/81, 1/82 und 2/82. Als UV-Strahlenquelle wird in den meisten Fallen eine Mitteldruck-Quecksilber-Bogenrohre verwendet. Die Strahlung einer Qtiecksilber-Bogenröhre besteht aus ca. 25 £ sichtbarem Licht, 15 bis 25 $> UV-Strahlung und ca. 60 £ wärmeintensiver Infrarotstrahlung. Die Temperatur an der Strahlenquelle kann bis ca. 900" C steigen. Die hohe Temperatur und der grosse Anteil der an sich unerwünschten IR-Strahlung bereiten beim Einsatz der UV-Polymerisation oft Probleme.

Bei zu lange einwirkender Strahlung kann das Substrat durch die

IR-Strahlung beschädigt und im Extremfall sogar bis zur Selbstzündung überhitzt werden. Eine bestimmte minimale Verweilzeit Unter der UV-Strahlung kann jedoch zur Erreichung einer vollständigen Trocknung und Aushärtung nicht unterschritten werden. Insbesondere bei wärmeempfindlichen Substraten als Druckträger vie Folien, Verpackungen aus Kunststoff wie z.B. Joghurt-Bechern usw., führen überhöhte Temperaturen sofort zu einer Deformation und damit zu einer bleibenden Beschädigung. Aber auch Papiere oder Karton können als Folge der überhitzung durch die Schrumpfung oder Blasenbildung beschädigt werden.

Zur Lösung des Problems wurde bereits vorgeschlagen, den IR-Anteil der Strahlung mit einer Quarzscheibe herauszufiltern. Ein Gerartiger Strahlenfilter ergibt jedoch am Substrat selbst nur eine relativ geringe Temperatursenkung. Dagegen führt der Filter auch zu einem Verlust an UV-Strahlung, was unerwünscht ist. Auch die Wärmeabfuhr ist beim Strahlenfilter problematisch.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei denen das Substrat möglichst nur vom UV-Anteil der Strahlung und ggf. von einem gewünschten Restanteil von IR-Strahlen beaufschlagt wird, und bei denen der grösste Teil der wärmeintensiven IR-Strahlung auf einfachste Weise vom Substrat ferngehalten und deren Wärine problemlos abgeführt werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zu schaffen, welche den Betriebsbedingungen einer der Polymerisierungsvorrichtung vor- oder nachgeschalteten Bearbeitungsstation auf optimale Weise angepasst werden kann. Biese Aufgabe wird in verfahrensmässiger Hinsicht durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Kennzeichen von Anspruch 1 und in vorrichtungsmässiger Hinsicht durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Kennzeichen von Anspruch 2 gelöst.

Die Umlenkung der UV-Strahlung durch einen teilweise durchlässigen Spiegel ermöglicht eine Eliminierung der auf das Substrat

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auftreffenden Wärmestrahlung bis zu 90 #. Die IR-Strahlung wird nicht wie bei einem Strahlenfilter absorbiert oder abgelenkt, eondem passiert den Spiegel geradlinig» Auf dem Substrat treffen ausschliesslich umgelenkte Strahlen auf, so dass nicht nur die von der Reflektoreinrichtung gebündelte und reflektierte Strahlung, sondern auch die direkte Strahlung von der Strahlenquelle im IR-Anteil reduziert wird. Es ist nämlich bereits bekannt, Reflektoreinrichtungen einzusetzen, die den IR-Anteil der reflektierten Strahlung bereits reduzieren. Derartige Reflektoreinrichtungen können den Wirkungsgrad einer erfindungsgemässen Vorrichtung noch verbessern.

Wenn der Spiegel verschwenkbar im Strahlenbündel der UV-Strahlenquelle angeordnet ist, lässt sich mit dem Spiegel die Strahlungsrichtung und ggf. die mit dem Strahlenbündel beaufschlagbare Oberfläche justieren, ohne dass an der äusserst empfindlichen und heissen Strahlenquelle manipuliert werden muss. Wenn der Spiegel in einem Winkel von 45* zur optischen Achse des Strahlenbündels angeordnet ist und wenn er zum Weglenken des Strählenbündels vom Substrat um 90° verschwenkbar ist, kann beispielsweise bei einer Betriebsunterbrechung die Strahlving schnell und einfach weggelenkt werden. Der Strahlengang der wärmeintensiven IR-Strahlung wird dabei nicht beeinflusst und verläuft nach wie vor geradlinig. Eine Abblendung der Strahlung durch sogenannte Shutters ist nicht mehr erforderlich. Die Drehbewegung des Spiegels lässt sich ausserdem auf einfachste Weise mit einer Servolenkung steuern, welche den Spiegel wegdreht, sobald eine Betriebsstörung oder ein Betriebsunterbruch der Anlage eintritt.

Die Wärme wird vorteilhaft dadurch abgeführt, dass hinter dem Spiegel im Strahlengang der den Spiegel durchdringenden wärmereicheren Strahlen eine Kühlvorrichtung angeordnet ist. Bei grösseren Anlagen ist oft eine gedrängte Bauweise unumgänglich, so dass die IR-Strahlung nicht unkontrolliert abgestrahlt werden kann. Eine Kühlvorrichtung kann beispielsweise aus einer nit

Kühlrippen versehenen Gehäusewand bestehen, welche von einem Luftstrom überstrichen wird oder welche die Wärme an, eine Kühlflüssigkeit abgibt.

Eine besonders geringe Erwärmung des Substrats kann erreicht werden, wenn in dem vom ersten Spiegel reflektierten Strahlenbündel ein zweiter die Strahlen selektionierender Spiegel angeordnet ist, der die UV-Strahlen auf das Substrat richtet, während der noch verbleibende Rest wärmereicherer Strahlen den zweiten Spiegel geradlinig durchdringt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend genauer beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 eine Di aufsieht auf eine Vorrichtung nit einem Spiegel

und
Figur 2 eine Ausführungsform mit zwei Spiegeln in schematischer Darstellung.

Wie in Figur 1 dargestellt werden die Strahlen einer UV-Strahlenquelle 2 mit Hilfe eines Reflektors 4 gebündelt, wobei das abgestrahlte Strahlenbündel A das gesamte Emissionsspektrum des Strahlers aufweist. Die Strahlen A treffen auf einen halbdurc^- lässigen Spiegel 3 auf, der die Strahlen selektioniert. Der wärmereichere Anteil von IR-Strahlen B durchdringt den Spiegel geradlinig. Dagegen werden die UV-Strahlen C durch den Spiegel auf das Substrat 1 gelenkt. Teildurchlässige Spiegel dieser Art sind für andere Zwecke an sich bereits bekannt und gebräuchlich. Sie weisen auf der Oberfläche mehrere dünne Schichten von Metalloxiden mit dielektrischen Eigenschaften auf. Die Beschichtung bzw. die Durchlässigkeit des Spiegels kann so gewählt werden, dass je nach Anwendungszweck ein Restanteil IR-Strahlung in der gewünschten Intensität auf das Substrat auftrifft.

Die beschichteten Substrate 1, wie z.B. Joghurt-Becher, werden in Pfeilrichtung X taktweise oder kontinuierlich am Strahlenbün-

ei·*

del C vorbeigeführt. Die optische Achse 9 des UV-Strahlenbündels wird durch den Spiegel 3 vorzugsweise um 90* umgelenkt. Selbstverständlich ist es jedoch auch denkbar, einen anderen Umlenkwinkel zu wählen. So wäre e3 beispielsweise möglich, zwei Vorrichtungen derart nebeneinander anzuordnen, dass sich die UV-Strahlenbündel jeder Vorrichtung am Substrat überlagern. Bei einer derartigen Ancrdroaig wäre ersichtlicherweise ein anderer uinienkwinkel erforderlich.

Strahlenquelle 1, Reflektor 4 und Spiegel 3 sind vorzugsweise in einem Gehäuse 5 untergebracht. Im Strahlengang de.- wärmeintensiven IR-Strahlen B sind Kühlrippen 6 direkt in die Gehäusewand integriert. Das Gehäuse 5 wird innen und/oder aussen durch einen luftstrom gekühlt. Für die Absorption der IR-Strahlen könnte selbstverständlich jede beliebige Kühleinrichtung wie z.B. von einer Kühlflüssigkeit durchströmte Kühlschlangen oder dergleichen eingesetzt werden.

Der Spiegel 3 ist im Gehäuse 5 um eine Schwenkachse 7 schwenkbar gelagert. Soll beispielsweise bei einer Betriebsunterbrechung oder bei Wartungsarbeiten das möglicherweise stillstehende Substrat 1 nicht mehr bestrahlt werden, so kann der Spiegel 3 um 90" verschwenkt werden, so dass er die als strichpunktierte linie dargestellte Position einnimmt. Bei dieser Position wird das UV-reiche Strahlenbündel C ersichtlicherweise um Ί80' umgelenkt, so dass es auf die Gehäusewand 5 auf trifft. Vorzugsweise wird dabei zusätzlich auch noch die Strahlenquelle auf Halblast geschaltet. Ein völliges Abschalten der Strahlenquelle ist nicht ■vorteilhaft, da eine Quecksilber-Bogenröhre bekanntlich zuerst abgekühlt werden muss, bevor sie wieder gezündet werden kann-Die Schwenkvorrichtung des Spiegöls lässt sich beispielsweise mit einer Servosteuerung kombinieren, so dass bei Betriebsstörungen das Strahlenbündel C automatisch umgelenkt wird.

Bereits mit einer einmaligen Spiegelung können ausgezeichnete Resultate erzielt werden. Substrattemperaturen von 70 bis 80* C

ohne Spiegelung "bei einer Verweilzeit von unter einer Sekunde können mit Spiegelung auf ca. 30* C reduziert werden. Eine zusätzliche Verbesserung des Wirkungsgrades lässt sich erreichen, wenn eine doppelte Spiegelung erfolgt, wie dies in Pigur 2 schematisch dargestellt ist.

Das mit dem ersten Spiegel 3 abgespaltene TJV-Strahleribündel C trifft auf einen zweiten Spiegel S, welcher den Eestanteil der IR-Strahlung passieren lässt und die TFV-Strahlung als Strahlenbündel E wiederum, abstrahlt. Auch bei der Anordnung mit zwei Spiegeln nüssen die optischen Achsen ersichtlicherweise nicht unbedingt um jeweils 90' abgelenkt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Aushärten polymerisierbarer Beschichtungsmassen auf einem Substrat (1), insbesondere Druckfarben und Lacken, bei dem das beschichtete Substrat taktweise oder kontinuierlich an wenigstens einer Ultraviolett-Strahlenquelle (2) vorbeigeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlen der UV-Strahlenquelle derart über einen die Strahlen selektionierenden Spiegel (3) auf das Substrat (1) gerichtet werden, dass das Substrat ausschliesslich von umgelenkten ÜV-Strahlen beaufschlagt wird, wobei der wäi-mereichere Anteil der Strahlen den Spiegel geradlinig durchdringt.

2. Vorrichtung zum Aushärten polymerisierbarer Beschichtungsmassen auf einem Substrat (1), insbesondere Druckfarben und Lacken, mit wenigstens einer Ultraviolett-Strahlenquelle (2) und mit einem Reflektorsystem (4) zum Bündeln der Strahlen, dadurch gekennzeichnet, dass in dem von der UV-Strahlenquelle emittierten Strahlenbündel ein die Strahlen selektionierender Spiegel derart angeordnet ist, äass er den grössxen Teil der UV-Strahlen (C) auf das Substrat (1) richtet, während der wärmereichere Anteil der Strahlen (B) den Spiegel (3) geradlinig durchdringt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (3) verschwenkbar im Strahlenbündel der UV-Strahlenquelle angeordnet ist.

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4· Vorrichtung nach Anspruch "3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (3) in einem Winkel von 45" zur optischen Achse (9) des Strahleribündels angeordnet i3t und dass e" zum Weglenken des Strahlenbündels vom Substrat (1) um 90* ν .-schwenkbar ist.

5- Vorrichtung npt.li Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass hinter dem Spiegel (5) im Strahlengang der cteii Spiegel durchdringenden wärmereicheren Strahlen (B) eine Kühlvorrichtung (6) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Anspräche 2 bis 5, dadurch gekennze ichnet, dass in dem vom ersten Spiegel (3) reflektierten Strahlenbündel (C) ein zweiter die Strahlen selektionierender Spiegel (8) angeordnet ist, der die W-Strahlen auf das Substrat richtet, während der noch verbleibende Rest wärmereicherer Strahlen (D) den zweiten Spiegel geradlinig durchdringt·