DE4421254A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Polymerisieren von Substanzen in Fasermaterialien, insbesondere Bindemittel in Mineralwollematerialien für Dämmzwecke - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Polymerisieren von Substanzen in Fasermaterialien, insbesondere Bindemittel in Mineralwollematerialien für DämmzweckeInfo
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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 IUV von 0 bis 100% und die
rechte Ordinate bzw. Y-Achse zeigt die Intensität der
UV-Strahlung IUV 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 IUV bereits über einer relativ kurzen Eindringtiefe d
steil abfällt. Von anfänglich 100% Intensität IUV an der
Mineralwolleoberfläche fällt die Intensität IUV 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 IUV. Dieser steile Abfall der In
tensität IUV 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 IUV 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 IUV 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 IUV1 bis IUV7 zeigen
verschiedene Intensitäten IUV der UV-Strahlung von bei
spielsweise IUV1 = 2 mW/cm² über IUV2 = 5 mW/cm², IUV3 =
11 mW/cm², IUV4 = 25 mW/cm², IUV5 = 55 mW/cm², IUV6 =
128 mW/cm² bis IUV7 = 220 mW/cm². Die Intensität IUV nimmt
also von IUV1 bis IUV7 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 IUV bezeichnet wer
den.
Die Steilheit des linearen Anstiegs im vorderen Bereich
der Kurven nimmt mit zunehmender Intensität IUV der
UV-Strahlung zu und ist bei der Kurve für IUV1 mit 2 mW/cm²
fast nicht ausgeprägt, wohingegen für die Kurve IUV7 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 IUV1 und IUV2 erst schwach ausgeprägt,
bei der Intensität IUV3 bereits erkennbar und die Intensi
täten IUV4 bis IUV7 zeigen einen klar ausgeprägten Über
gangsbogen vom steilen Anstieg zum konstanten Bereich der
Kurven auf. Dabei ist erkennbar, daß dieser Übergangsbogen
mit zunehmender Intensität IUV früher auftritt.
Das bedeutet, daß bei geringen Intensitäten IUV 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 IUV7 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 IUV1 und IUV2 die Temperaturverläufe über der
Zeit gezeigt, von denen IUV1 die kleinste von im Beispiels
falle 1000 mW/cm² und IUV2 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 IUV 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 IUV 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 IUV von 0 bis 100% und an der rechten Ordi
nate die Intensität IUV 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 IUV, 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 (IUV) 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.
die Bestrahlung des Materials mit so hoher Intensität (IUV) 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 (IUV) 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.
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