DE3809096A1 - Verfahren und vorrichtung zur ermittlung des spezifischen ausdampfverhaltens von organischen substanzen bei thermischen behandlungen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur ermittlung des spezifischen ausdampfverhaltens von organischen substanzen bei thermischen behandlungen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des spezifischen Ausdampfverhaltens von organischen Substanzen, insbesondere organischen Deck­ schichten, beim Erhitzen des Materials.
Beispielsweise bei Elektroband oder bei Elektroblechen werden häufig kompakte Band- oder Blechpakete benötigt. Um entsprechende Band- oder Blechpakete herzustellen, ist es üblich, daß das Band oder die Bleche im Herstel­ lungsbetrieb mit einem Klebelack, einem sogenannten Back­ lack, beschichtet und nach einer Trocknung des Lackes unter Druck und Temperatur über die Lackschichten mit­ einander verklebt werden. Unter der Einwirkung von Druck und Temperatur wird der Lack plastisch und härtet chemisch aus. So können Band- und Blechpakte in einem sogenannten Verbackungsvorgang zu kompakten Einheiten verbunden werden. In diesem Zusammenhang müssen die verwendeten Lacke spezielle Anforderungen erfüllen. Nach dem Trocknen dürfen keine Restlösemittel in der Lackschicht mehr enthalten sein, diese würden nämlich durch Dampfpolsterbildung den Ver­ backungsvorgang stören, ebenso schädlich ist aber auch eine Übertrocknung, da dann die Aushärtung vorweggenommen und die Klebwirkung ungenügend wird. Um die geschilderten negativen Effekte mit Sicherheit zu vermeiden, ist es notwendig, für jeden Lack die passende Verarbeitungstem­ peratur vorweg zu ermitteln. Das gilt gleichermaßen für Folien und für Deckschichten aus organischen Substanzen sowie organische Substanz schlechthin, wobei dann auch eine anders geartete Weiterverarbeitung der beschichteten Materialien bzw. der organischen Substanzen angesprochen sein kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen es möglich ist, die Trocknungsbedingungen organischer Substanzen, insbesondere von Deckschichtmaterial, vor dem Hintergrund der bei der Weiterverarbeitung daran gestellten Anforderungen zu opti­ mieren, etwa bei Backlack eine Dampfpolsterbildung ebenso wie eine Übertrocknung mit Sicherheit zu vermeiden. Die Vorrichtung soll insbesondere einfach und kostengünstig ausgebildet sein, dabei aber eine gute Reproduzierbarkeit der Meßergebnisse ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß in der Weise gelöst, daß an Hand einer Probe die Kohlenstofffreisetzung der orga­ nischen Substanz beim Erhitzen in einem Gasstrom in Abhän­ gigkeit von einer Zeit-Temperaturkurve, kontinuierlich gemessen und aufgezeichnet wird. Durch die kontinuierliche Messung der Kohlenstofffreisetzung in Abhängigkeit von einer Zeit-Temperaturkurve kann die Reaktion des Proben­ materials auf die Erhitzung definiert bestimmt werden. Eine genaue Vorhersage des Verhaltens der organischen Sub­ stanz bei der Verarbeitung ist so einfach und genau möglich, mit anderen Worten, es werden individuelle Vorgaben für die Trocknung bzw. thermische Behandlungen der organischen Substanzen erhalten. Damit ist dann auch eine Identifika­ tionsprüfung bei Folgelieferungen möglich.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Kohlenstoff im Gasstrom vor der Kohlenstoffmessung kata­ lytisch nachoxidiert wird. Hierdurch wird vorteilhaft sichergestellt, daß in dem Gasstrom nur Kohlenstoff in einer einzigen gut meßbaren Zustandsform, nämlich als Kohlendioxyd, enthalten ist. Die Messung der austretenden Kohlenstoffmenge ist hierdurch mit einfachen Mitteln sehr genau möglich.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Messung der freigesetzten Kohlenstoffmenge durch Messung des CO2-Gehaltes des Gasstroms erfolgt. So ist eine einfache und sichere kontinuierliche Messung der austretenden Kohlenstoffmenge mit handelsüblichen Meß­ geräten möglich.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Zeit-Temperaturkurve der Probenerhitzung Halte­ zeiten enthält. Das Einbauen von Haltezeiten in die Zeit- Temperaturkurve ist besonders günstig bei zeitabhängigen Kohlenstoff-Austrittsreaktionen und verbessert die Messung des Kohlenstoffaustritts beim Erhitzen der Probe erheblich.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Probenerhitzung in einem kohlenstofffreien Luft­ strom erfolgt. Die Verwendung eines Luftstroms ist die einfachste Art einen zur Durchführung des Verfahrens geeig­ neten Gasstrom zu erhalten. Die Kohlenstofffreiheit des Luftstroms erlaubt es dabei, die austretende Kohlenstoff­ menge direkt zu messen, ohne den CO2-Gehalt der Luft berücksichtigen zu müssen. Soll die thermische Stabilität organischer Substanzen unter verschärften Bedingungen ermittelt werden, bietet sich hierfür die Probenerhitzung in einem reinen Sauerstoffstrom an.
In anderer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Probenerhitzung in einem Inertgasstrom erfolgt. Diese Art der Versuchsdurchführung vermeidet die durch eine ungenügende Luftreinigung möglichen Fehler und ergibt beson­ ders sichere Meßergebnisse. Sie ist aber kostenaufwendiger als die Verwendung eines gereinigten Luftstroms.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Gasstrom nach einer fallweise notwendigen Kohlen­ stoffreinigung, einer Erhitzung, dann einer Nachoxidation, einer CO2-Messung und schließlich einer Mengenmessung unterzogen wird. So ergibt sich ein einfaches und kosten­ günstig durchführbares Gesamtverfahren mit hoher Meßge­ nauigkeit unter Ausschaltung von Fehlern durch wechselnde oder unterschiedlich konditionierte Gasströme.
Zur Durchführung des Verfahrens ist eine Vorrichtung vor­ gesehen mit einem elektrisch beheizten, gasdurchströmten und zur Aufnahme einer Probe eingerichteten Reaktor, vor­ zugsweise ein Quarzrohrreaktor, wobei der Reaktor eine Probenerhitzungs- und eine Nachoxidationszone aufweist. So ergibt sich eine einfache Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bei dem das durch eine Erhitzung hervor­ gerufene Ausdampfen des Kohlenstoffs aus der organischen Probe mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann, dies insbesondere, wenn die Nachoxidationszone einen Kataly­ sator aufweist.
Zweckmäßigerweise ist für jede der Zonen, also für die Probenerhitzungszone und für die Nachoxidationszone, eine eigenständige individuell regelbare Heizung vorgesehen. Hieraus und gegenbenenfalls dann auch in Verbindung mit einer individuellen Verlagerbarkeit der Heizungen längs des Reaktors läßt sich dem das Meßergebnis verfälschenden Kondensieren von Dämpfen im Reaktorinneren entgegen­ wirken.
In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, daß der Reaktor einen Temperatur-Zeit-Pro­ grammgeber aufweist. So können vorteilhaft bei gewünschten Temperaturen die notwendigen Haltezeiten und auch die Auf­ heizgeschwindigkeit der Probe eingestellt und abgefahren werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Vorrichtung in Durchflußrichtung des Gasstroms einen fallweise notwendigen CO2-Absorber, anschließend einen Reaktor mit einer Probenerhitzungszone und einer Nachoxidationszone dann einen kontinuierlich messenden CO2-Analysator und zuletzt einen Durchflußmesser aufweist. So ergibt sich eine vorteilhaft einfache und genaue, für eine gut reproduzierbare Probenerhitzung geeignete Vor­ richtung, mit der die erfindungsgemäßen Vorteile des Verfahrens erreicht werden können.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Vorrichtung einen kontinuierlich arbeitenden Temperatur- und CO2-Schreiber aufweist. So kann das Ver­ halten der Probe nachvollziehbar dokumentiert werden. Die Versuchsauswertung ist so erheblich erleichtert.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Temperatur- und CO2-Schreiber einen Integrator oder einen Quotientenbildner aufweist. Dies bedeutet vor­ teilhaft eine weitere Erleichterung der Auswertung des Probenverhaltens und insbesondere den Vergleich des Ver­ haltens unterschiedlicher Proben bzw. unterschiedlicher Temperaturkurven miteinander.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird an Hand einer Zeich­ nung näher erläutert, aus denen weitere, zum Teil erfin­ dungswesentliche Einzelheiten entnehmbar sind.
Im Einzelnen zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung und
Fig. 2 und 3 repräsentative Temperatur- und CO2- Verläufe von zwei verschiedenen Back­ lacken,
Fig. 4 und 5 repräsentative Temperatur- und CO2- Verläufe von zwei Folien.
In Fig. 1 bezeichnet 1 ein Gebläse oder eine Pumpe und 2 ein dem Gebläse oder der Pumpe 1 nachgeschaltetes Puffer- und Ausgleichsgefäß sowie 3 einen Austrittsdruckregler. Dahinter befindet sich ein CO2-Absorber 4, der insbesondere bei der Verwendung von Luft notwendig ist. Bei der Ver­ wendung von Inertgas oder Sauerstoff, bei der Pumpe 1 und Puffergefäß 2 durch einen Vorratsbehälter ersetzt werden, kann der CO2-Absorber 4 unter Umständen entfallen.
An den CO2-Absorber 4 oder bei seinem Entfall an den Aus­ tritt des Druckreglers 3 schließt sich der Reaktor 5, vorzugsweise ein Quarzrohrofen, an. Er weist die Erhit­ zungszone mit der Probe 9 und eine Nachoxidationszone mit dem Oxidationskatalysator 10 auf und ist mit der jeweiligen Zone zugeordneten elektrischen Heizungen 6 und 7 versehen. An den Reaktor 5 schließt sich der CO2-Analysator 12 und das Durchflußmengenmeßgerät 11 an. Über Thermoelemente 14 und 16 werden die erreichten Temperaturen in den einzelnen Zonen des Reaktors 5 überwacht. Die Probentemperatur wird über den Temperatur-Zeit-Programmgeber 13 gesteuert und über den Schreiber 15 aufgezeichnet, der auch die frei­ gesetzte Kohlenstoffmenge zeitgleich mitschreibt.
In Fig. 2 ist das typische Ausdampfverhalten eines Back­ lackes dargestellt. 20 bezeichnet die CO2-Meßkurve und 21 die Temperaturkurve der Probe. Das erste Maximum (22) nach dem Start zeigt das Ausdampfen des Lösungsmittels, das bereits bei niedriger Temperatur erfolgt. Das zweite Maximum (23) zeigt das Ausdampfen bei Verbackungstemperatur, das dritte und vierte Maximum (24, 25) das Freisetzen von Kohlenstoff durch Zersetzen der Lackharze bei höheren Tem­ peraturen.
Fig. 3 zeigt das Ausdampfverhalten eines modifizierten Backlackes, bei dem das Lösungsmittel fehlt und die abdampfende Kohlenstoffmenge bei Verbackungstemperatur verringert ist. Fig. 4 stellt die CO2-Meßkurve und die Temperatur bei der Erhitzung von Polyimidfolie dar. Fig. 5 gibt die Kurven von Polyesterfolie wieder.
Die Durchführung des Verfahrens erfolgt folgendermaßen: Der kohlenstofffreie Gasstrom durchströmt langsam den Quarzrohrofen 5 mit der darin befindlichen Probe 10 zur Aufnahme des aus der Probe 10 bei ihrer Erhitzung aus­ tretenden Kohlenstoffs. Der Gasstrom mit dem aus der Probe 10 ausgetretenen unterschiedlich chemisch gebundenen Kohlenstoff wird in der Nachoxidationszone 10 nachoxidiert und gelangt dann in den CO2-Analysator 12 und anschließend in das Mengenmeßgerät 11, das der Erfassung der Gasmenge während der Versuchszeit dient. Während des Versuchs wird auf dem Schreiber 15 sowohl die Temperaturkurve als auch die Menge des ausgetretenen Kohlenstoffs mittels der CO2-Messung aufgezeichnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichen es vorteilhaft, das thermische Verhalten von organischen Substanzen, Klebelacken, ins­ besondere Backlacken, Isolierlacken, Kunststoffolien, Kunststoffbeschichtungen schlechthin, Isolierpapier udgl. bei thermischen Behandlungen qualitativ und quantitativ zu ermitteln. So können speziell wertvolle Erkenntnisse über Zusammensetzung und Eigenschaften dieser Stoffe gewonnen werden, insbesondere lassen sich daraus Vorgaben für den laufenden Betrieb herleiten, die eine einwandfreie Weiterverarbeitbarkeit einer thermischen Zwischenbehandlung unterworfener Materialen gewährleistet.

Claims (15)

1. Verfahren zur Ermittlung des spezifischen Ausdampf­ verhaltens von organischen Substanzen, insbesondere organischen Deckschichten, beim Erhitzen des Materials unter reproduzierbaren Bedingungen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kohlenstofffreisetzung aus der organischen Substanz in einem Gasstrom in Abhängig­ keit von einer Zeit-Temperaturkurve kontinuierlich gemessen und aufgezeichnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Gasstrom vor der Kohlenstoffmes­ sung katalytisch nachoxidiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der freige­ setzten Kohlenstoffmenge durch Messung des CO2-Gehaltes des Gasstroms erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit-Temperaturkurve der Probenerhitzung Haltezeiten enthält.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenerhitzung in einem kohlenstofffreien Luftstrom erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenerhitzung in einem Sauerstoffstrom erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenerhitzung in einem Inertgasstrom erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom nach einer fall­ weise notwendigen Kohlenstoffreinigung, einer Erhitzung, einer Nachoxidation, einer CO2-Messung und schließlich einer Mengenmessung unterzogen wird.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einem elektrisch­ beheizten gasdurchströmten und zur Aufnahme einer Probe eingerichteten Reaktor, vorzugsweise ein Quarzrohrreaktor, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (5) eine Probenerhitzungs- und eine Nach­ oxidationszone (9, 10) aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch individuell regelbare Heizungen (6, 7) für die Probenerhitzungszone (9) und für die Nachoxidations­ zone (10).
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, gekennzeichnet durch längs des Reaktors (5) indi­ viduell verlagerbare Heizungen (6, 7).
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor einen Temperatur- Zeit-Programmgeber aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß sie in Durchflußrichtung des Gasstroms nacheinander einen fallweise notwen­ digen CO2-Absorber (4), einen Reaktor mit einer Probenerhitzungszone (9) und einer Nachoxidations­ zone (10), einen kontinuierlich messenden CO2- Analysator (12) und einen Durchflußmesser (11) aufweist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen kontinuierlich arbeitenden Temperatur- und CO2-Schreiber (15) auf­ weist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatur- und CO2-Schreiber (15) einen Integrator oder einen Quotientenbildner aufweist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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