DE4421254A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Polymerisieren von Substanzen in Fasermaterialien, insbesondere Bindemittel in Mineralwollematerialien für Dämmzwecke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Polymerisieren von Substanzen in Fasermaterialien, insbesondere Bindemit­ tel in Mineralwollematerialien für Dämmzwecke, wobei das gegebenenfalls auf einer Produktionslinie kontinuierlich bewegte Fasermaterial einer bestimmten Dicke einer UV-Be­ strahlung ausgesetzt wird, um die Substanz in Form eines Präpolymers, mit dem die Fasern imprägniert sind, zu poly­ merisieren und eine Vorrichtung zum Polymerisieren von Sub­ stanzen in Fasermaterialien, wie insbesondere eines Binde­ mittels in Mineralwollematerial für Dämmzwecke, mit wenig­ stens einer UV-Strahlungsquelle.

Eine derartige Technik ist aus der US-A-5 275 874 be­ kannt. Ziel der bekannten Vorgehensweise ist es, das Mate­ rial gleichförmig über seine Dicke durchzupolymerisieren. Mit Rücksicht auf den exponentiellen Abfall der durch die UV-Strahlen im Material freigesetzten Energie mit der Ent­ fernung von der Oberfläche des Materials ist zur Erzielung einer möglichst gleichförmigen Härtung eine erhebliche Ein­ wirkungsdauer erforderlich. Im Beispielsfalle der US-A-5 275 874 fällt die Intensität der Strahlung über die Dicke des Materials auf 1% der einfallenden Strahlung ab, und er­ folgt ein Durchlauf des Materials unter einer Mehrzahl hin­ tereinander angeordneter UV-Lampen hindurch, im wesentli­ chen entsprechend einem Durchlauf durch den Tunnelofen bei der bislang in der Praxis üblichen thermischen Aushärtung.

Bei einer solchen Behandlung ist nach den Erfahrungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verbrennen oder Karbonisieren der oberflächenseitigen organischen Bestand­ teile des Mineralwollematerials unvermeidlich. Mit Rück­ sicht auf den starken Abfall der Intensität, also der pro Flächeneinheit freigesetzten Leistung, mit der Tiefe unter­ halb der bestrahlten Oberfläche ist ein solcher Energieein­ trag an der bestrahlten Oberfläche des Mineralwollemateri­ als erforderlich, der dort zu einem Karbonisieren oder Ver­ brennen der oberflächenseitigen organischen Bestandteile, wie etwa des Bindemittels, führt.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, mit dem die gewünschte Polymerisierung auch noch in erheblichen Tiefen des Materials unterhalb der bestrahl­ ten Oberfläche ohne unerwünschte Zersetzungserscheinungen an der Oberfläche des Materials möglich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt dadurch, daß die Be­ strahlung mit so hoher Intensität durchgeführt wird, daß sich in der maximalen Tiefe im Material, in der eine Poly­ merisation erfolgen soll, noch eine Restintensität oberhalb desjenigen Schwellenwerts ergibt, bei dem eine Polymerisa­ tion der gewählten Substanz, beispielsweise eines Präpoly­ mers oder eines Bindemittels unter dem Einfluß von UV-Strahlung innerhalb einer bestimmten Zeitspanne erfolgt, in der noch keine unerwünschte Degradation von organischen Stoffen im Bereich der Oberfläche des Materials als Folge der dortigen Strahlungseinwirkung eintritt, und daß die Zeitdauer der Bestrahlung eines Flächenelements des Materi­ als innerhalb dieser Zeitspanne gehalten wird. Diese Zeit­ spanne wird für den Fall, daß das Material in einer Produk­ tionslinie kontinuierlich bewegt wird, auch kompatibel zur Geschwindigkeit der Produktionslinie gewählt.

Im Rahmen der Arbeiten im Zusammenhang mit der vorlie­ genden Erfindung hat sich gezeigt, daß bei den beispiels­ weise als Präpolymer in Frage kommenden Substanzen ein Schwellenwert der Intensität, also der Strahlungsleistung pro Flächeneinheit, vorliegt, oberhalb dessen die Polymeri­ sation in sehr kurzer Zeit, praktisch schlagartig, abläuft. Eine Erhöhung der Intensität über diesen Schwellenwert hin­ aus führt zu keiner merklichen Beschleunigung der Polymeri­ sation, beeinträchtigt diese aber auch nicht. Andererseits erfolgt die für das Auftreten von Degradationserscheinungen maßgebliche Temperaturerhöhung an der bestrahlten Oberflä­ che im wesentlichen proportional mit der Einwirkungsdauer der Strahlung, wobei die Geschwindigkeit der Temperaturer­ höhung mit der Intensität naturgemäß zunimmt.

Mit der Beaufschlagung durch UV-Strahlung wird in Ab­ hängigkeit von der Strahlungsintensität Wärme freigesetzt, sei es durch die von der UV-Quelle mit abgestrahlte Wärme­ strahlung, sei es durch Energieverluste der UV-Strahlung und damit deren Transformation zu IR-Strahlung; diese Ef­ fekte zeigen sich an der Oberfläche des Materials am ausge­ prägtesten, so daß dort die höchsten Temperaturen auftre­ ten, die beim Überschreiten einer bestimmten Grenztempera­ tur zu Zersetzungserscheinungen führen können.

Diese parallel, jedoch mit unterschiedlichem Zeitver­ halten ablaufenden Effekte werden nach der Lehre der Erfin­ dung nun dahingehend ausgenützt, daß zunächst der Schwel­ lenwert der Intensität ermittelt wird, bei dem die Polyme­ risation der Substanz sehr schnell, beispielsweise inner­ halb von 0,2 s, erfolgt. Mit dieser Einwirkungsdauer wird das betreffende Flächenelement dann bestrahlt, wobei die Intensität der Bestrahlung an der Materialoberfläche so weit erhöht werden kann, daß innerhalb dieser vorgegebenen Zeitspanne von z. B. 0,2 s ein Temperaturanstieg unterhalb einer vorgegebenen Grenztemperatur bleibt, über der De­ gradationserscheinungen zu befürchten sind. Diese maximal ohne Zersetzungserscheinungen in der gegebenen kurzen Zeit­ dauer aufzubringende Intensität gibt dann wiederum anhand des Intensitätsabfalls im Material diejenige Tiefe des Ma­ terials wieder, innerhalb der die Intensität immer noch über dem Schwellenwert liegt, und innerhalb der mithin eine praktisch gleichförmige Polymerisation erfolgen kann.

Da jedes Flächenelement somit einer hohen Strahlungsin­ tensität über eine nur kurze Zeitdauer hinweg ausgesetzt wird, kann die Bestrahlung auf engem Raum erfolgen und spart somit Platz an der Produktionslinie. Im Falle einer kontinuierlich bewegten Materialbahn auf der Produktionsli­ nie ist die Zeitdauer der Bestrahlung jedes Flächenelements überdies kompatibel mit der Geschwindigkeit der Produk­ tionslinie, üblicherweise zwischen 0,1 und 1 m/s, zu wählen.

Wenn die Bestrahlungsintensität über 500 mW/cm², insbe­ sondere über 1 W/cm², und besonders bevorzugt über 2 W/cm² liegt, so lassen sich einerseits in kostengünstiger Weise handelsübliche UV-Quellen nutzen, andererseits aber dennoch hohe Oberflächenintensitäten erzielen. Wie dies an sich be­ kannt ist, sind dabei UV-Quellen mit einer Strahlung im Wellenlängenbereich oberhalb 250 nm, vorzugsweise oberhalb 310 nm mit Rücksicht auf die in diesem Bereich relativ hö­ here Transmissivität des Mineralwollematerials bevorzugt.

Die Zeitdauer der Bestrahlung eines Flächenelements liegt vorzugsweise unter zehn Sekunden, und ist bevorzugt geringer als eine Sekunde, insbesondere kleiner als 0,2 s.

Bei vielen konventionellen Produktionsverfahren werden die Mineralfasern aus der Schmelze erzeugt, im Zuge ihrer Ablage zur Wollelage mit der Substanz, beispielsweise dem Präpolymer des Bindemittels versehen, und sodann die Sub­ stanz, beispielsweise das Bindemittel, ausgehärtet. In ei­ nem solchen Falle ist das Mineralwollematerial zum Zeit­ punkt der Aushärtung der Substanz noch auf relativ erhöhter Temperatur, so daß der oberflächenseitige Temperaturanstieg bis zur Grenztemperatur unter der Einwirkung der Bestrah­ lung von einer relativ hohen Ausgangstemperatur ausgeht.

Insbesondere in einem solchen Fall ist es bevorzugt, das Mineralwollematerial vor der Bestrahlung auf eine möglichst niedrige Temperatur abzukühlen, um so die zulässige Tempe­ raturerhöhung durch die Einwirkung der Bestrahlung zu ver­ größern. Kühlmaßnahmen während der Bestrahlung haben hinge­ gen mit Rücksicht auf die kurze Zeitdauer der Bestrahlung keinen solchen Einfluß, der den damit einhergehenden Auf­ wand rechtfertigen würde. Die Anwendung des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens ist andererseits bei all denjenigen Produk­ tionsmethoden besonders vorteilhaft, bei denen das Mineral­ wollematerial vor der Aushärtung bei abgesenkter Tempera­ tur, vorzugsweise Umgebungstemperatur vorliegt. Dies ist beispielsweise der Fall bei Einbringung des Bindemittels in Dampf- oder Aerosolform, wie dies aus den DE-A-44 06 863 bzw. DE-A-44 10 020 bekannt ist.

Bevorzugt wird der Anteil an Sauerstoff im Fasermate­ rial, der bei üblicher Arbeit in der umgebenden Atmosphäre bei ca. 21% liegt, bei der Bestrahlung auf unter 10%, besser noch auf unter 5% und besonders bevorzugt auf unter 1% reduziert. Bei der üblichen Polymerisation unter Nut­ zung von Radikalen wird dadurch vermieden, daß die durch die Strahlung erzeugten freien Radikale der zu polymerisie­ renden Substanz durch Sauerstoff belegt werden und eine Po­ lymerisation an dieser Stelle damit verhindert wird. Dies ist besonders von Bedeutung bei dünner Film- oder Schicht­ dicke von Monomeren und geringer Intensität der Bestrah­ lung.

Bevorzugt erfolgt die Bestrahlung von beiden Großflä­ chen des Materials aus, so daß die Strahlungsenergie von beiden Seiten über die Dicke des Materials vordringt. Damit kann die Eindringtiefe der Strahlung mehr als verdoppelt werden, wenn sich die beiden Eindringtiefen in der Mitte des Materials überlagern. Dieser Überlagerungseffekt wird besonders gut genutzt, wenn die Bestrahlung beider Seiten zugleich erfolgt, so daß an einer bestimmten Stelle im Ma­ terial die Energien aus der Bestrahlung beider Seiten gleichzeitig vorliegen.

Dabei ist es nicht erforderlich, daß eine über die Dicke des Materials gleichförmige Polymerisation oder Durchhärtung erfolgt. Gerade bei beidseitiger Bestrahlung kann es völlig ausreichen, wenn die oberflächennahen Schichten des Materials durchgehärtet sind, und ein mehr oder weniger breiter Innenbereich mit erheblich verminder­ ter Polymerisation bleibt. Im Falle der Aushärtung eines Bindemittels ergibt sich dadurch der durch die Aushärtung erstrebte Festigkeitszuwachs in den Außenbereichen, so daß die Biegefestigkeit, auf die es häufig vor allem ankommt, unter einer verminderten Festigkeit im Bereich der Platten­ mitte kaum leidet. Eine nicht vollständige Durchhärtung ist häufig auch akzeptabel, wenn es auf andere Eigenschaften als Biegefestigkeit ankommt, beispielsweise auf oberflä­ chenseitige Dichtigkeit und Festigkeit oder dergleichen. Weiter kann sich bei der Polymerisation anderer Substanzen als Bindemittel je nach Funktion der Substanz und Anwendung des Produktes eine ungleichmäßige Polymerisation über die Dicke als zweckmäßig erweisen.

Für den Fall einer ungleichmäßigen Polymerisation über die Dicke kann es auch zweckmäßig sein, nach der Lehre der DE-A-44 06 863 oder DE-A-44 10 020 die Substanz bereits in ungleichförmiger Mengenverteilung in das Material einzu­ bringen. Beispielsweise im Falle von Bindemittel kann hier­ durch eine höhere Bindemittelkonzentration im Bereich der Außenseiten erzielt werden als im Bereich der Plattenmitte, so daß sich eine gewünschte optimale Nutzung einer bestimm­ ten Bindemittelmenge bei der Produktion ergibt.

Als Präpolymer kommen insbesondere multifunktionale Acryl- und Methacryl-Verbindungen in Frage, wie dies an sich bekannt ist. Weiterhin können als Substanz Präpolymere in Form von Monomeren, Oligomeren oder Polymeren mit poly­ merisierbaren, ungesättigten funktionalen Gruppen wie Acrylat-, Methacrylat-, Vinyl-, Vinylether-, Allyl-, oder Maleatgruppen, welche im Sinne einer Kettenerweiterung und/oder Quervernetzung zu reagieren vermögen, verwendet werden. Das Bindemittel kann ein Gemisch aus diesen Kompo­ nenten sein und weist zur Ermöglichung einer Polymerisation durch UV-Licht einen Photoinitiator auf. Als besonders be­ vorzugt im Rahmen der vorliegenden Erfindung haben sich präpolymere Gemische erwiesen, die Epoxyacrylat enthalten.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient, zeichnet sich da­ durch aus, daß eine Einrichtung zur Bündelung der UV-Strah­ lung auf wenigstens ein Strahlenbündel geringer Breite vor­ gesehen ist.

Durch eine solche Bündelung kann eine gewünschte Höhe der Oberflächenintensität erreicht werden.

Insbesondere bei einer Polymerisiation an einer laufen­ den Produktionslinie kann es bevorzugt sein, wenn die Bün­ delung linienförmig, beispielsweise also quer über die Breite der Produktionsbahn, erfolgt. Dann kann ohne irgend­ welche bewegten Teile die Breite des linienförmigen Strah­ lenbündels auf die Fördergeschwindigkeit der Produktions­ bahn derart abgestimmt werden, daß sich eine gewünschte Zeitdauer der Bestrahlung jedes Flächenelements ergibt.

Alternativ kann jedoch die Bündelung auch punktförmig erfolgen, wobei der so gebildete dünne Strahl sehr hoher Intensität das Material in einem gewünschten, vorzugebenden Muster überstreicht. Somit kann die Substanz in Fasermate­ rial ausgehärtet werden, welches im Fall von Formteilen ei­ ne nicht ebene Oberfläche aufweist, beispielsweise bei Schalen Hohlzylinderform besitzt. Diese Bewegung des Strah­ lenbündels ist beispielsweise mittels eines Kippspiegels auch mit durchaus begrenztem Aufwand erzielbar. Die hohe Intensität oder Leistungsdichte eines solchen punktförmigen Strahlenbündels ermöglicht hohe Eindringtiefen der Polyme­ risation bei Substanzen mit besonders geringer Polymerisa­ tionszeit. Insbesondere ermöglicht ein solches Überstrei­ chen mit einem dünnen Strahl eine gute Anpassung an unter­ schiedliche Liniengeschwindigkeiten. Für gewisse Anwen­ dungsfälle mag es dabei genügen, nur einen Teil der Gesamt­ oberfläche des Fasermaterials mit dem Strahl zu bestreichen und Lücken dazwischen zu lassen, in denen die Polymerisa­ tion nicht nötig ist oder als Fernwirkung der benachbarten Bestrahlung erfolgt.

Bevorzugt ist das Strahlenbündel auf einen endlichen Brennpunkt hin ausgerichtet, also in einer Spitze zulaufend statt aus parallelen Strahlen bestehend. Durch geeignete Fokusierung kann der Brennpunkt in eine gewünschte Tiefe des Materials verlegt werden, so daß dort, wenn auch abge­ mildert durch Streuung an weiter oben liegenden Fasern, ei­ ne relativ höhere Intensität auf kleinerer Fläche erreicht wird. Eine solche Ausbildung des Strahlenbündels eignet sich insbesondere bei linienförmig ausgebildetem Strahlen­ bündel.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfin­ dung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 einen typischen Verlauf der Intensität über die Dicke oder Wandstärke eines Mineralwolleproduktes bei beidseitiger UV-Bestrahlung,

Fig. 2 den Verlauf der Umwandlungsrate durch Poly­ merisation über der Zeit bei verschiedenen Intensitäten,

Fig. 3 den Verlauf der oberflächenseitigen Erwär­ mung des Mineralwollematerials bei verschiedenen Intensitä­ ten,

Fig. 4 den Zusammenhang zwischen Intensitätsverlauf und Polymerisation über die Dicke oder Wandstärke eines er­ findungsgemäß behandelten Mineralfaserproduktes bei beid­ seitiger UV-Bestrahlung,

Fig. 5 eine schematisch vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit linienförmiger Bün­ delung der UV-Strahlung, und

Fig. 6 eine schematisch vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Einwirkung eines punktförmigen Strahlenbündels auf das Mineralwollematerial.

Um das Verständnis zu erleichtern, werden nachfolgend gleiche Bezugszeichen für identische oder entsprechende Ge­ genstände bzw. graphisch dargestellte Verläufe von physika­ lischen Zusammenhängen verwendet.

Fig. 1 veranschaulicht einen typischen Verlauf der lo­ kalen Intensität einer UV-Strahlung über die Dicke bzw. Wandstärke eines Fasermaterials, beispielsweise eines Mine­ ralwolleproduktes, bei beidseitiger UV-Bestrahlung der Oberfläche des Produkts.

An der Abszisse bzw. X-Achse ist die Dicke bzw. Wand­ stärke d des Mineralwolleproduktes von im Beispielsfalle 12 cm abgetragen. Die linke Ordinate bzw. Y-Achse zeigt die Intensität der UV-Strahlung I_UV von 0 bis 100% und die rechte Ordinate bzw. Y-Achse zeigt die Intensität der UV-Strahlung I_UV von 0 bis 2000 mW/cm². Im dargestellten Bei­ spiel entsprechen 2000 mW/cm² den 100% Intensität der UV-Strahlung.

Rechts von der rechten Ordinate einerseits und links von der linken Ordinate andererseits sind Pfeile einge­ zeichnet, die zur Bildmitte weisend die Einstrahlung der UV-Strahlung mit der Energie hν symbolisieren sollen. Da die Bestrahlung von beiden Seiten des Mineralwolleproduktes erfolgt, ist der mit der Kurve 1 veranschaulichte Verlauf der Intensität über der Dicke d näherungsweise symmetrisch zur Mitte, so daß zunächst nur die linke Hälfte des Dia­ gramms betrachtet wird. Es ist erkennbar, daß die Intensi­ tät I_UV bereits über einer relativ kurzen Eindringtiefe d steil abfällt. Von anfänglich 100% Intensität I_UV an der Mineralwolleoberfläche fällt die Intensität I_UV in diesem Beispielsfall bereits nach weniger als 1 cm Eindringtiefe auf unter 50%, nach einer Eindringtiefe von ungefähr 2 cm bereits auf unter 10%, und beträgt in der Mitte des Mine­ ralwolleproduktes nur noch unter 5% der oberflächenseitig aufgebrachten Intensität I_UV. Dieser steile Abfall der In­ tensität I_UV über der Eindringtiefe wird einerseits durch die geringe Transmission der UV-Strahlung durch das Mine­ ralwollematerial verursacht und ist andererseits auf Um­ wandlung von UV-Strahlungsenergie in Wärmeenergie bereits in den obersten Schichten des Mineralfasermaterials, ohne daß dabei eine Polymerisation stattfindet, zurückzuführen.

Eine erste Beurteilung des gezeigten Intensitätsver­ laufs 1 führt zu dem Ergebnis, daß eine befriedigende Poly­ merisation von Substanzen in Fasermaterialien nur in deren oberflächenseitigem Bereich möglich sein kann, da die In­ tensität I_UV der UV-Strahlung zu schnell abnimmt, um noch genügend Restintensität in den mittleren Bereichen zur Ver­ fügung stellen zu können, damit auch dort eine zufrieden­ stellende Polymerisation erfolgreich durchgeführt werden kann. Erhöht man nun demzufolge die Intensität I_UV der Strahlung soweit, daß im mittleren Bereich des Fasermateri­ als noch erfolgreich polymerisiert werden kann, sind zwangsweise an der Oberfläche solch hohe Intensitäten not­ wendig, daß eine Beschädigung des oberflächenseitigen Mate­ rials, beispielsweise ein Karbonisieren oder Verbrennen der oberflächenseitigen organischen Bestandteile wie etwa der polymerisierbaren Substanz oder eines Bindemittels, nicht vermieden werden kann.

In Fig. 2 ist der Verlauf der Polymerisation von Sub­ stanzen in Fasermaterialien über der Zeit bei unterschied­ lich hohen Intensitäten der UV-Strahlung dargestellt. An der Abszisse bzw. X-Achse ist die Zeit der Bestrahlung t in Sekunden von 0 bis 1,5 s abgetragen. Die linke Ordinate bzw. Y-Achse zeigt die erfolgte Umwandlungsrate durch Poly­ merisation P von 0 bis 100%. Die Kurven I_UV1 bis I_UV7 zeigen verschiedene Intensitäten I_UV der UV-Strahlung von bei­ spielsweise I_UV1 = 2 mW/cm² über I_UV2 = 5 mW/cm², I_UV3 = 11 mW/cm², I_UV4 = 25 mW/cm², I_UV5 = 55 mW/cm², I_UV6 = 128 mW/cm² bis I_UV7 = 220 mW/cm². Die Intensität I_UV nimmt also von I_UV1 bis I_UV7 zu.

Alle sieben Kurven weisen typische Gemeinsamkeiten auf. Dies ist zuerst ein gemeinsamer Anfangspunkt im Ursprung 0 des Diagramms. Diesem gemeinsamen Anfangspunkt folgt mit geringer Verzögerung ein Anstieg der Kurve mit einem posi­ tiven Gradienten dP/dt, an den sich ein nahezu linearer An­ stiegsbereich mit konstantem positivem Gradienten dP/dt an­ schließt. Dieser Bereich des linearen Anstiegs geht weiter­ hin bei allen gezeigten Kurven unter Abnahme des Anstiegs, also mit einem abnehmenden positiven Gradienten dP/dt, in einen nahezu waagrechten linearen Bereich ohne weiteren An­ stieg über, also mit konstantem Gradienten dP/dt von nähe­ rungsweise 0. Der in diesem konstanten Bereich erreichte Grenzwert der Umwandlungsrate durch Polymerisation P kann als Sättigungsgrenze der erfolgenden Polymerisation P bei einer bestimmten Strahlungsintensität I_UV bezeichnet wer­ den.

Die Steilheit des linearen Anstiegs im vorderen Bereich der Kurven nimmt mit zunehmender Intensität I_UV der UV-Strahlung zu und ist bei der Kurve für I_UV1 mit 2 mW/cm² fast nicht ausgeprägt, wohingegen für die Kurve I_UV7 mit 220 mW/cm² ein sehr steiler Anstieg erkennbar ist. Der Übergangsbogen vom steilen Anstieg im vorderen Bereich der Kurven hinüber zum waagrechten nahezu linearen Bereich des fast konstant auslaufenden Teils der Kurven ist bei den beiden Intensitäten I_UV1 und I_UV2 erst schwach ausgeprägt, bei der Intensität I_UV3 bereits erkennbar und die Intensi­ täten I_UV4 bis I_UV7 zeigen einen klar ausgeprägten Über­ gangsbogen vom steilen Anstieg zum konstanten Bereich der Kurven auf. Dabei ist erkennbar, daß dieser Übergangsbogen mit zunehmender Intensität I_UV früher auftritt.

Das bedeutet, daß bei geringen Intensitäten I_UV der UV-Strahlung das Mineralwollematerial relativ lange bestrahlt werden muß, bis keine weitere Zunahme der ohnehin erst ge­ ringen Polymerisation mehr erfolgt. Wird hingegen eine re­ lativ hohe UV-Strahlung verwendet, um das Mineralwollemate­ rial zu bestrahlen, so wird in sehr kurzer Zeit bereits ein hoher Polymerisationsgrad erreicht, der sehr rasch auf ein Maximum ansteigt, und dann nicht mehr weiter steigerbar ist, sondern konstant verläuft. Dies bedeutet, daß es für jede erhebliche Strahlungsintensität einen Grenzwert der Bestrahlungszeit gibt, innerhalb dessen eine maximale Poly­ inerisation erreicht ist und dessen Überschreitung durch längere Bestrahlung keine weitere Erhöhung der Polymerisa­ tion erbringen kann.

Im gezeigten Beispiel bedeutet dies, daß bei einer In­ tensität I_UV7 von 220 mW/cm² bereits nach ca. 0,05 s ein steiler Anstieg der Polymerisation eintritt, die bereits nach einer Bestrahlungsdauer von 0,2 s bis 0,3 s ihren ma­ ximalen Wert, in diesem Beispiel von ca. 80% erreicht. Es Last nachvollziehbar, daß bei ausreichender Intensität der Bestrahlung schon nach sehr kurzen Bestrahlungszeiten ein hohes Maximum der Polymerisation erreicht werden kann.

Die oberflächenseitige Erwärmung des Fasermaterials bzw. des Mineralwollematerials bei verschiedenen Intensitä­ ten der UV-Strahlung ist unter Bezugnahme auf Fig. 3 nach­ folgend näher erläutert. Die Abszisse bzw. X-Achse zeigt den Zeitverlauf t in Sekunden. An der Ordinate bzw. Y-Achse ist die Temperatur der Oberfläche des Mineralwollematerials in °C abgetragen. Die waagrechte gestrichelte Linie bei 20°C symbolisiert die Umgebungstemperatur als Bezugsgröße. Im vorliegend betrachteten Beispielsfall wird davon ausge­ gangen, daß das Mineralwollematerial mit einer Temperatur von ca. 20°C vor der Bestrahlung vorliegt. Die zweite waa­ gerechte gestrichelte Linie bei 200°C zeigt den oberen Grenzwert der thermischen Belastung der organischen Be­ standteile wie etwa der polymerisierbaren Substanz oder des Bindemittels eines üblichen Mineralwollematerials an seiner Oberfläche. Im Diagramm selbst sind für zwei verschiedene Intensitäten I_UV1 und I_UV2 die Temperaturverläufe über der Zeit gezeigt, von denen I_UV1 die kleinste von im Beispiels­ falle 1000 mW/cm² und I_UV2 die größte Intensität von im Beispielsfalle 2000 mW/cm² bedeutet. Es ist erkennbar, daß die Temperatur der Oberfläche des Mineralwollematerials na­ hezu proportional mit der Zeit bei gleichbleibender Inten­ sität der UV-Strahlung ansteigt. Dieser lineare Verlauf des Temperaturanstiegs ist von der Intensität I_UV insofern ab­ hängig, daß die Steigung dieser Temperaturgeraden mit zu­ nehmender Intensität zunimmt. Wird das Mineralwollematerial mit hohen Intensitäten der UV-Strahlung bestrahlt, so ist die Grenztemperatur von beispielsweise 200°C, bei der an der Oberfläche des Mineralwollematerials Schäden auftreten, bereits nach einer relativ kurzen Zeit erreicht.

Das neu gewonnene Wissen um diese Zusammenhänge läßt dich im Rahmen der vorliegenden Erfindung umsetzen, indem man bei der Bestrahlung von Mineralwollematerialien die Be­ strahlungszeiten soweit reduziert, daß man gerade noch den Übergangsbogen vom steilen Anstieg zum Maximum der Polyme­ risation erreicht. Somit können Intensitäten eingesetzt werden, die bei längerer Bestrahlung zwar zu Schäden an der Oberfläche führen würden, jedoch bei diesen kurzen Bestrah­ lungszeiten keine Schäden an der Oberfläche verursachen und dennoch ausreichende Intensitätseinbringung bis in die Mitte des Materials erlauben, um dort auch noch eine zu­ friedenstellende Polymerisation P innerhalb der Bestrah­ lungszeit durchführen zu können.

Zusammen mit den in Fig. 1 und Fig. 2 veranschaulichten physikalischen Zusammenhängen wird deutlich, daß es in Ab­ hängigkeit von der Intensität I_UV der UV-Strahlung, der Dicke d des Mineralwolleproduktes, der Bestrahlungszeit t und der gezeigten Grenztemperatur ein sogenanntes Arbeits­ fenster gibt, in dem eine maximale und schnelle Polymerisa­ tion von Substanzen in Fasermaterialien möglich ist, ohne dabei oberflächenseitige Beschädigungen befürchten zu müs­ sen.

Das Mineralwollematerial kann vor der Bestrahlung in­ folge vorausgegangener Behandlungsschritte mit hoher Tempe­ ratur vorliegen. Eine weitere Erwärmung infolge der Be­ strahlung kann dann relativ rasch zum Überschreiten der Grenztemperatur und damit zu thermischen Belastungen der organischen Bestandteile wie etwa der polymerisierbaren Substanz oder des Bindemittels eines üblichen Mineralwolle­ materials an seiner Oberfläche führen. Daher ist es vorge­ sehen, das Mineralwollematerial gegebenenfalls vor der Be­ strahlung beispielsweise durch geeignete Vorrichtungen, wie sie in der DE-A-44 06 863 bzw. DE-A-44 10 020 vorgeschlagen sind, abzukühlen, so daß eine schnelle Überschreitung der Grenztemperatur durch die Bestrahlung und damit oberflä­ chenseitige Beschädigungen ausgeschlossen werden können.

Der sich erfindungsgemäß beispielhaft ergebende Zusam­ menhang zwischen Intensitätsverlauf einerseits und Polyme­ risation andererseits über die Dicke bzw. Wandstärke d ei­ nes Mineralfaserproduktes bei beidseitiger UV-Bestrahlung ist in Fig. 4 dargestellt. Die Abszisse zeigt ebenso wie in Fig. 1 die Dicke bzw. Wandstärke d eines Mineralwolleproduk­ tes von im Beispielsfalle 12 cm. An der linken Ordinate ist die Intensität I_UV von 0 bis 100% und an der rechten Ordi­ nate die Intensität I_UV von 0 bis 2000 mW/cm² abgetragen. Hierbei entsprechen 100% Intensität den 2000 mW/cm². Zu­ sätzlich ist an der rechten Ordinate die Polymerisation P von 0 bis 100% angetragen. Ebenso wie in Fig. 1 symbolisie­ ren die Pfeile hν von rechts und von links den Energieein­ trag durch die Bestrahlung mit der UV-Strahlung. Die Kurve 1 zeigt wiederum den Intensitätsverlauf über der Dicke d entsprechend Fig. 1. Eine Kurve 3 zeigt den Verlauf der Po­ lymerisation P bei einer Bestrahlung von links und eine Kurve 4 zeigt den Verlauf der Polymerisation P bei einer Bestrahlung von rechts. Wird von beiden Seiten bestrahlt, ergibt sich der Verlauf der Polymerisation P aus einer Überlagerung der Kurven 3 und 4, was graphisch mit einer Kurve 2 dargestellt ist. Die Kurven 3 und 4 sind im darge­ stellten Beispiels falle zueinander näherungsweise spiegel­ bildlich zur Mitte des Mineralwollematerials, so daß die Kurve 2 ebenfalls näherungsweise zur Mitte des Materials symmetrisch ist.

Im weiteren werden zunächst die Kurven 1 und 3 betrach­ tet, anhand derer der Zusammenhang zwischen Intensitätsver­ lauf und Polymerisation P gezeigt werden soll. Solange die Intensität I_UV, die in der Kurve 1 bereits nach geringer Eindringtiefe steil abfällt, noch einen ausreichend hohen Grenzwert übersteigt, findet eine nahezu maximale Polymeri­ sation P statt. Wird dieser Grenzwert unterschritten, fällt die Kurve 3 ebenfalls ab und geht schlußendlich gegen 0. Dasselbe gilt für die Kurve 4 bei einer Bestrahlung von rechts. Berücksichtigt man nun die zu Fig. 1 bis Fig. 3 ge­ machten Ausführungen, so wird deutlich, daß bei einer aus­ reichend hohen Anfangsintensität der UV-Strahlung an der Oberfläche des Mineralwolleproduktes, welche dann typi­ scherweise sehr rasch abnimmt, jedoch nicht weiter absinkt als ein bestimmter Intensitätsgrenzwert, bei dem noch merk­ lich Polymerisation stattfindet, und bei entsprechend ge­ wählter Bestrahlungsdauer, im Mineralwollematerial über dessen gesamte Dicke eine nahezu gleichmäßig gute Polymeri­ sation erzielt werden kann. Auf diese Art und Weise ist es möglich, Mineralwollematerialien auf ihrer gesamten Dicke durchzupolymerisieren, falls dies gewünscht wird. Es ist jedoch ebenfalls möglich, Substanzen in diesen Mineralwol­ lematerialien nur in ihren Randbereichen polymerisieren zu lassen, und in der Mitte keine oder verminderte Polymerisa­ tion stattfinden zu lassen.

Etwaige unpolymerisierten Anteile der Substanz im Inne­ ren des Fasermaterials sind durch Reaktionen mit dem Luft­ sauerstoff und anderen Reaktionspartnern einer Alterung ausgesetzt, welche ihre Reaktivität beseitigen und die Sub­ stanz zu einem Inertstoff werden läßt.

Fig. 5 zeigt eine schematisch vereinfachte Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung mit linienförmiger Bündelung der UV-Strah­ lung. Eine UV-Strahlungsquelle 10, vorzugsweise eine lini­ enförmige UV-Strahlungsquelle, befindet sich im ersten Brennpunkt eines Reflektors 12, dessen Querschnitt vorzugs­ weise parabelförmig oder elliptisch ausgebildet ist. Die von der UV-Strahlungsquelle 10 ausgesendete UV-Strahlung wird mit Hilfe des Reflektors 12 in dessen zweitem Brenn­ punkt 14 gebündelt. Der zweite Brennpunkt 14 befindet sich im Bereich der Oberfläche des zu bestrahlenden Mineralwol­ lematerials 16 oder innerhalb des Mineralwollematerials. Das Mineralwollematerial 16 kann als Mineralwollematerial­ bahn vorliegen und wird beispielsweise auf einer nicht nä­ her dargestellten Fördervorrichtung unter wenigstens einer UV-Strahlungsquelle 10 hindurch und/oder über wenigstens eine UV-Strahlungsquelle 10 hinweg befördert und dabei vom linienförmig gebündelten Strahl 18 geringer Breite b nähe­ rungsweise rechtwinklig zur Förderrichtung vorzugsweise kontinuierlich bestrichen.

Fig. 6 zeigt eine schematisch vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Einwirkung eines punktförmigen Strahlenbündels auf das Mineralwollematerial. Die UV-Strahlungsquelle 10 ist hier punktförmig ausgebildet und im ersten Brennpunkt eines näherungsweise halbellip­ soidförmigen Reflektors 12 angeordnet. Mit Hilfe dieses halbellipsoidförmigen Reflektors 12 wird die UV-Strahlung der Strahlungsquelle 10 im zweiten Brennpunkt 14 fokusiert. Der zweite Brennpunkt 14 befindet sich wiederum im Bereich der Oberfläche oder innerhalb des Mineralwollematerials 16, welches beispielsweise als dreidimensionales Formteil aus­ gebildet sein kann, und dessen Oberflächenkontur vom gebün­ delten Strahl 18 unter einem Auftreffwinkel von näherungs­ weise 90° zur Flächennormalen des jeweils bestrahlten Flä­ chenelements bestrichen wird. Dies kann mit Hilfe einer ge­ eigneten, nicht näher dargestellten Verfahreinrichtung der UV-Strahlungsquelle 10 und/oder mit Hilfe von nicht näher dargestellten beweglichen Spiegeleinheiten durchgeführt werden.

Die Vorrichtungen von Fig. 5 und Fig. 6 verwenden end­ liche Brennpunkte im Bereich des zu behandelnden Mineral­ wollematerials. Ähnliche Effekte können genauso unter Ver­ wendung von schmalen Strahlenbündeln mit Brennpunkten im Unendlichen, also mit Parallelstrahlen, erzielt werden.

Der Anteil an Sauerstoff im Fasermaterial bei der Be­ handlung ist vorzugsweise auf unter 10% bzw. besser noch auf unter 5% bzw. am besten noch auf unter 1% zu reduzie­ ren, so daß praktisch vollständig vermieden werden kann, daß die durch die UV-Strahlung mit Hilfe der Photoinitiato­ ren erzeugten freien Radikale der zu polymerisierenden Sub­ stanz durch Sauerstoff belegt werden und eine Polymerisati­ on an dieser Stelle damit verhindert ist.

Bei ausreichender Reduzierung des Sauerstoffanteils in der Atmosphäre im Fasermaterial kann somit eine vollständi­ gere Polymerisation der Substanz erzielt werden. Dadurch wird vorteilhaft die mögliche Bildung von Ozon reduziert oder ausgeschlossen, da in einer weitestgehend inerten At­ mosphäre keine Sauerstoffmoleküle mehr vorhanden sind, um durch die Energie der UV-Strahlung teilweise zu Sauerstoff­ radikalen aufgespalten zu werden und anschließend Ozon bil­ den zu können.

Die Reduzierung des Sauerstoffanteils kann auf einfache Weise durch Spülung des Mineralwollematerials mit einem an­ deren Gas erfolgen, beispielsweise Stickstoff oder, noch kostengünstiger, Kohlendioxid oder Wasserdampf.

Claims (15)

1. Verfahren zum Polymerisieren von Substanzen in Faserma­ terialien, insbesondere Bindemittel in Mineralwollema­ terialien für Dämmzwecke, wobei das gegebenenfalls auf einer Produktionslinie kontinuierlich bewegte Faserma­ terial einer bestimmten Dicke (d) einer UV-Bestrahlung ausgesetzt wird, um die Substanz in Form eines Präpoly­ mers, mit dem die Fasern imprägniert sind, zu polymeri­ sieren, dadurch gekennzeichnet, daß
die Bestrahlung des Materials mit so hoher Intensität (I_UV) durchgeführt wird, daß sich in der maximalen Tiefe im Material, in der eine vollständige Polymerisa­ tion erfolgen soll, noch eine Restintensität oberhalb desjenigen Schwellenwertes ergibt, bei dem eine voll­ ständige Polymerisation der gewählten Substanz unter UV-Einfluß innerhalb einer bestimmten Zeitspanne er­ folgt, innerhalb welcher noch keine unerwünschte De­ gradation von organischen Stoffen im Bereich der Ober­ fläche des Materials als Folge der dortigen Strahlungs­ einwirkung erfolgt, und die im Falle von auf einer Pro­ duktionslinie kontinuierlich bewegtem Fasermaterial kompatibel zur Geschwindigkeit der Produktionslinie ge­ wählt ist, und
daß die Zeitdauer (t) der Bestrahlung eines Flächenele­ ments des Materials innerhalb dieser Zeitspanne gehal­ ten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität (I_UV) an der Oberfläche des Mineralwol­ lematerials über 500 mW/cm², vorzugsweise über 1 W/cm², insbesondere über 2 W/cm² liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Wellenlänge der verwendeten UV-Strahlung über 250 nm, vorzugsweise über 310 nm liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zeitdauer (t) der Bestrahlung des Flächenelementes kleiner ist als zehn Sekunden, bevor­ zugt unter einer Sekunde und insbesondere unter 0,2 s liegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Mineralwollematerial vor der Be­ strahlung oberflächenseitig abgekühlt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Sauerstoffanteil der Atmosphäre im Mineralwollematerial auf unter 10%, vorzugsweise auf unter 5% und insbesondere auf unter 1% reduziert ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bestrahlung von beiden Großflä­ chen des Materials aus erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung beider Seiten zugleich erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, daß im Mittelbereich des Materials eine Zone ver­ minderter Polymerisation vorgesehen ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Präpolymer zur Bildung eines Bin­ demittels ein Epoxyacrylat enthaltendes Stoffgemisch verwendet wird.

11. Vorrichtung zum Polymerisieren von Substanzen in Faser­ materialien, wie insbesondere eines Bindemittels in Mi­ neralwollematerial für Dämmzwecke, mit wenigstens einer UV-Strahlungsquelle (10), dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (12) zur Bündelung der UV-Strahlung auf wenigstens ein Strahlenbündel (18) geringer Breite (b) vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlenbündel (18) linienförmig ausgebildet und vorzugsweise ortsfest gehalten ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlenbündel (18) punktförmig ausgebildet ist und das Mineralwollematerial (16) mit hoher Geschwin­ digkeit von einer Seite zur anderen überstreicht und so vorzugsweise dessen gesamte Oberfläche bestrahlt.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlenbündel einen Brennpunkt (14) innerhalb des zu behandelnden Mineralwollemateri­ als (16) aufweist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß UV-Strahlungsquellen (10) zu beiden Seiten der Großflächen des Mineralwollematerials (16) angeordnet sind.