EP1711279B1 - Equipement de reticulation ultraviolette sous atmosphere controlee - Google Patents

Equipement de reticulation ultraviolette sous atmosphere controlee Download PDF

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EP1711279B1
EP1711279B1 EP05717683A EP05717683A EP1711279B1 EP 1711279 B1 EP1711279 B1 EP 1711279B1 EP 05717683 A EP05717683 A EP 05717683A EP 05717683 A EP05717683 A EP 05717683A EP 1711279 B1 EP1711279 B1 EP 1711279B1
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EP
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channel
gas
chamber
labyrinth
components
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François Coeuret
Géraldine Rames-Langlade
Andrea Spizzica
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to installations in which are carried out operations requiring control of the atmosphere inside an enclosure, and concerns in particular the field of crosslinking operations of a coating (for example an ink or a varnish ) by Ultra Violet radiation (“UV Curing” in the literature) or by electron beam (“Electron Beam” in the literature) in the presence of a controlled atmosphere, most often an inert gaseous mixture, for example based on nitrogen, CO2, argon etc ... or mixtures of such gases.
  • a coating for example an ink or a varnish
  • UV Curing Ultra Violet radiation
  • Electro Beam electron beam
  • transformation products capable of curing (cross-linking) by UV radiation or electron beams (EB), such as glues, protective varnishes, lacquers, inks and paints is largely widespread today in printing and surface varnishing.
  • EB electron beams
  • these products have technical advantages (rapid crosslinking, less material shrinkage, quality of the finished product and easy cleaning of printing plates) and ecological ( resins made of 100% dry matter and reduced energy consumption).
  • the crosslinking step to be industrially performed continuously 24/24, the enclosure that comprises one or more UV lamps is an open system. Therefore, the crosslinking mechanism that takes place in the zone irradiated by the UV lamp is made in atmospheric air.
  • This step is carried out industrially at scrolling speeds ranging from 10 to several hundreds of m / min depending on the application.
  • the formulation contains a photoinitiator (PA).
  • PA photoinitiator
  • This photoinitiator under the action of UV, generates free radicals (step a) which will initiate the radical polymerization reactions according to the different steps described in scheme 1 below.
  • the radicals (R *) react with the reactive functions (M) of the prepolymer and the diluent, and initiate the polymerization reaction (step b). Since the reactive functions are both contained in the prepolymer and the diluent, the propagation (step c) of the polymerization reaction develops in all three dimensions. In this way, the termination (step d) of the polymer chain leads to a highly crosslinked polymeric network (R (M) n ).
  • Oxygen can thus slow down or completely inhibit the radical polymerization reaction.
  • the inhibitory effect of oxygen is all the more marked as the thickness of the UV resin layers is thin.
  • a first solution consists in increasing the intensity of the UV lamps in order to increase the production of free radicals (according to reaction a, scheme 1). These radicals, produced in greater quantity, react with the oxygen present in the reaction zone and reduce the oxygen concentration of the chamber and thus the oxygen-inhibiting effect.
  • a second solution is to introduce into the formulation of high amounts of photoinitiators and molecules (synergists) whose role is to react with, and thus eliminate, the oxygen present in the reaction zone. Even if these products are more and more efficient, it is estimated that, in standard formulations, 80% of photoinitiators and synergists react with oxygen and thus serve to destroy it, the remaining 20% serve to ensure the crosslinking of resins. UV.
  • a third solution consists in removing the residual oxygen present in the reaction zone and replacing this oxygen with an inert gas such as nitrogen.
  • This solution requires modifying the enclosure, open system, where the crosslinking of the resin takes place and equip it with a device for operating under an inert controlled atmosphere.
  • the crosslinking of UV resins under a controlled nitrogen atmosphere has multiple advantages since the absence of oxygen in the UV zone makes it possible to increase the rate of crosslinking, to reduce the luminous intensity of the UV lamps or the number of UV lamps. used, reduce the amount of photoinitiators and synergists introduced into the formulation and reduce the formation of by-products (such as peroxides and hydroperoxides) while obtaining a very high quality finished product.
  • the document WO 0014468 proposed equipment that can operate with about 50 ppm of residual oxygen in the reaction zone, at speeds up to several hundred meters per minute.
  • This equipment is characterized by the presence of two gas injection blocks placed at the entrance and exit of the UV chamber.
  • Each of these blocks comprises two gas injection systems; the first injection, placed at the ends of the enclosure, has the function of opposing any entry of air into the enclosure and the second injection, placed towards the inside of the enclosure, has the function of filling the pregnant with nitrogen.
  • the first injection system is a slit oriented so that the flow of gas is directed towards the outside of the enclosure.
  • the second injection system is a tube having pores oriented so that the flow of gas is directed towards the interior of the enclosure.
  • the width of the slot and the orientation angles of the two injection systems are modifiable and depend on the operating conditions.
  • the gas flows required for a low residual oxygen concentration as a function of the speeds used are very high (even considerable).
  • the amount of nitrogen should be 140 normal m 3 / h for a concentration of less than 50 ppm.
  • the rejection of a high amount of nitrogen outside the UV chamber in the work area requires an efficient suction system to avoid the risk of asphyxiation by anoxia.
  • Each of the input and output devices is typically constituted (see figure 1 below, we can also refer to the figure 2 of said document WO 0240738 ) of three components positioned in series and successively seen by the treated substrate: a channel, a gas injection slot and a "labyrinth".
  • the concept of "labyrinth” is well detailed in this prior document, and relates in fact to a system of open grooves vis-à-vis the internal space (gap) of the input device (or output) concerned (in which circulates the substrate to be treated) and forming a labyrinth.
  • the channel separated from the gas injection slot by a partition, is open opposite the interior space of the input or output device concerned.
  • the gas (nitrogen) injected through the slot will allow to take off the boundary layer of entrained air on the surface of the film.
  • the labyrinth by creating an overpressure zone (high pressure drop) in the direction of travel of the film forces nitrogen to go upstream, that is to say in the channel. This phenomenon is favored by a lower pressure drop in the channel.
  • This turbulence in the channel creates a zone of low vacuum on the surface of the film that pulls the air boundary layer on the surface of the film. Then the flow of nitrogen in the channel becomes laminar and forms a piston effect which opposes the flow of air and pushes it back.
  • This equipment has shown remarkable efficiency since it allows a film surface treatment in the presence of an oxygen concentration not exceeding 50 ppm with acceptable nitrogen flow rates.
  • the tests consisted of measuring the oxygen concentration inside the chamber and about 0.8 mm from the roll surface by injecting about 1.4 normal l / m 2 of nitrogen in each input / output device, with a width of 700 mm moving at speeds between 50 and 250 m / min.
  • the results of the measurements show that the oxygen concentration is between 6000 and 8000 ppm depending on the speed used (these results are represented on the figure 4 below).
  • the use of higher nitrogen rates (3.25 Normal liters / m 2 in each input / output device) reduces this concentration to about 3000 ppm.
  • the present invention therefore seeks to provide a new Ultra Violet or electron beam crosslinking equipment, the design of which significantly reduces the oxygen concentration prevailing inside the enclosure.
  • the height of the channel is advantageously between 3 and 5 mm.
  • the device at the entrance of the enclosure has, one can think, a dual function: due to the pressure drop created by the inlet labyrinth, the injected nitrogen tends to move towards the inside of the cross-linking chamber (enclosure), and makes it possible to minimize very strongly the entry of air into this same enclosure.
  • the device at the outlet of the enclosure which makes it possible to direct nitrogen towards the interior of the enclosure and to limit the gas discharges to the outside.
  • the input device plays a primordial role, as regards the output device, if its presence could be obscured or at least simplified in its structure for certain applications. less demanding (as we will see below), its presence is highly recommended in order to work in optimal atmosphere conditions.
  • the present invention thus relates to a crosslinking installation of a coating such as an ink or a varnish by ultraviolet radiation or by electron beam, in the presence of a gaseous mixture with a controlled residual oxygen content, the installation comprising an enclosure which comprises one or more UV lamps or an accelerated electron source, necessary for carrying out the crosslinking operation, characterized in that it comprises an input device adjoining the enclosure comprising at least the three following components, seen successively by the scrolling product to be treated: a labyrinth system, means for injecting an inert gas by forming a gas knife and a channel.
  • a labyrinth system means for injecting an inert gas by forming a gas knife and a channel.
  • labyrinth relates to a system of open grooves vis-à-vis the inner space of the input or output device concerned and forming a labyrinth.
  • the figure 3 hereinafter relates the result of tests of implementation of an equipment according to the invention, comprising the input / output systems described in the context of the figure 2 , which consisted of measuring the oxygen content in the middle of the chamber, approximately 5 mm from the treated roll, for speeds of between 50 and 250 m / min and nitrogen injections in each of the inlet devices / output of about 1.4 to 3.25 Normals Liters / m 2 .
  • the abbreviation "NI / m 2 " used in the figures should be understood as actually referring to normal liters / m 2 of treated substrate).
  • the figure 5 allows us to visualize a comparison of the results obtained within the framework of the figure 3 with those obtained under the figure 4 .
  • the axis in ordinates represents the reduction (in%) of the oxygen content achieved thanks to the equipment according to the invention.
  • the reduction of the residual oxygen level in the chamber is at least 94% with the same nitrogen speed and flow rate parameters, it even reaches 98 to 99% in the case of the highest flow rates. high.
  • the device at the input of the speaker (represented in figure 6 ) has been modified, it consists here of five components. Successively: a channel, a (1st) gas injection slot, a labyrinth, a (2d) gas injection slot followed by another channel.
  • the speaker output device ( figure 7 ) is identical to that of the figure 2 as consisting of three successive components: a channel, a nitrogen injection slit followed by a labyrinth.
  • the orientation of the nitrogen injection slits relative to the roller is, for the embodiment shown, approximately 90 ° for the first slit of the input device and 45 ° for the 2d slit of the device. Entrance.
  • the width of the slots is respectively close to 0.2 mm for the first slot and 0.4 mm for the 2d slot.
  • the distance between the input device and the roller is close to 0.8 mm.
  • the orientation of the nitrogen injection slit of the exit device is about 90 ° to the roll and its width is about 0.3 mm.
  • the distance between the output device and the support roller is close to 0.8 mm.
  • the configuration illustrated by this embodiment allows a further improved efficiency in the separation of the air boundary layer located on the surface of the film (compared to the previously described configuration in connection with the figure 2 ), and therefore a better assurance that the air conveyed on the surface of the film will not penetrate into the treatment chamber.
  • Slots No. 1 and 2 correspond to those of the input device, while slot No. 3 corresponds to that of the output device.

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Description

  • L'invention concerne les installations dans lesquelles sont réalisées des opérations nécessitant un contrôle de l'atmosphère à l'intérieur d'une enceinte, et concerne en particulier le domaine des opérations de réticulation d'un enduit (par exemple une encre ou un vernis) par rayonnement Ultra Violet (« UV Curing » dans la littérature) ou par faisceau d'électrons (« Electron Beam » dans la littérature) en présence d'une atmosphère contrôlée, le plus souvent un mélange gazeux inerte, par exemple à base d'azote, de CO2, d'argon etc...ou de mélanges de tels gaz.
  • Il faut rappeler que l'utilisation de produits de transformation capables de durcir (réticuler) par rayonnements UV ou faisceaux d'électrons (EB), tels que les colles, les vernis de protection, les laques, les encres et les peintures, est largement répandue de nos jours dans l'impression et le vernissage de surface. En effet, par rapport aux produits conventionnels à base de solvants organiques et aqueux, ces produits présentent des avantages sur le plan technique (réticulation rapide, retrait de matière moindre, qualité du produit fini et nettoyage facile des clichés d'impression) et écologique (résines constituées de 100% de matière sèche et réduction de la consommation d'énergie).
  • L'étape de réticulation devant être industriellement réalisée en continu 24h/24, l'enceinte qui comprend une ou plusieurs lampes UV est un système ouvert. Par conséquent, le mécanisme de réticulation qui a lieu dans la zone irradiée par la lampe UV est réalisé dans l'air atmosphérique. Cette étape est réalisée industriellement à des vitesses de défilement allant de 10 à plusieurs centaines de m/min selon l'application.
  • La majorité des produits qui réticulent par rayonnement UV sont des systèmes radicalaires. En plus des constituants chimiques de base, tels qu'un prépolymère, un diluant réactif et des additifs, la formulation contient un photoamorceur (PA). Ce photoamorceur, sous l'action des UV, génère des radicaux libres (étape a) qui vont initier les réactions de polymérisation radicalaire selon les différentes étapes décrites selon le schéma 1 ci-dessous. Les radicaux (R*) réagissent avec les fonctions réactives (M) du prépolymère et du diluant, et initient la réaction de polymérisation (étape b). Comme les fonctions réactives sont à la fois contenues dans le prépolymère et le diluant, la propagation (étape c) de la réaction de polymérisation se développe dans les trois dimensions. De cette façon, la terminaison (étape d) de la chaîne polymérique conduit à un réseau polymérique fortement réticulé (R(M)n).
    Figure imgb0001
  • Aujourd'hui, les équipements industriels ultra-violets fonctionnent en système ouvert et ces réactions de photopolymérisation radicalaire se produisent à l'air atmosphérique. Or, tous les radicaux (R*, RM * et R(M)n*) intervenant dans le processus de réticulation sont très réactifs vis à vis de l'oxygène de l'air. Ces radicaux réagissent avec l'oxygène pour former des peroxydes (RO2*) et des hydroperoxydes (ROOH) réduisant ainsi l'efficacité des réactions de photopolymérisation radicalaire (voir schéma 2 ci-dessous). L'oxygène interfère à différents niveaux du mécanisme chimique décrit ci-dessus avec comme effet la réduction de la quantité de radicaux libres (étape a), l'empêchement de l'amorçage de la polymérisation (étape b) et la terminaison prématurée de la formation de chaînes polymériques (étape d).
  • Ces phénomènes se produisent avec l'oxygène présent initialement dans la formulation et avec l'oxygène atmosphérique qui diffuse au cours de l'exposition UV à travers le film de la résine UV. L'oxygène peut ainsi ralentir ou inhiber totalement la réaction de polymérisation radicalaire. L'effet inhibiteur de l'oxygène est d'autant plus marqué que l'épaisseur des couches de résines UV est de faible épaisseur.
    Figure imgb0002
  • Les conséquences pratiques de ces phénomènes sont :
    • la non polymérisation du revêtement UV,
    • la formation de chaînes courtes, donc d'un film d'encre, d'adhésif, de vernis de qualité médiocre,
    • la formation d'oligomères labiles, générateurs de dis-qualité (aspect, odeur, problèmes d'hygiène si contact alimentaire avec le substrat par exemple),
    • la formation de peroxydes (RO2*) et d'hydroperoxydes (RO2H) responsables en partie du jaunissement du produit.
  • On conçoit donc bien l'importance de la composition atmosphérique à l'intérieur d'une enceinte de réticulation de résines par rayonnements UV et plus particulièrement de l'absence d'oxygène dans la zone UV. Par conséquent, il est indispensable pour certaines applications de disposer d'un équipement capable de réduire considérablement la concentration d'oxygène à l'intérieur d'une enceinte UV, et plus spécifiquement dans la zone où ont lieu les réactions de photopolymérisation radicalaire. Cet équipement permettra d'optimiser l'étape de durcissement des résines UV.
  • On peut recenser un certain nombre de solutions existantes permettant de remédier aux inconvénients liés à la présence d'oxygène lors de la réticulation de résines UV.
  • Une première solution consiste à augmenter l'intensité des lampes UV afin d'augmenter la production des radicaux libres (selon la réaction a, schéma 1). Ces radicaux, produits en plus grande quantité, réagissent avec l'oxygène présent dans la zone réactionnelle et réduisent la concentration en oxygène de l'enceinte et donc l'effet inhibiteur de l'oxygène.
  • Cette solution, bien que facile à mettre en oeuvre, entraîne une consommation d'électricité plus élevée et donc un coût énergétique supplémentaire non négligeable car la puissance des lampes utilisées est habituellement d'environ 20 kW. D'autre part, une augmentation de l'intensité des lampes va produire une augmentation de la température à l'intérieur de l'enceinte (zone réactionnelle) et donc un risque de dégradation thermique de l'enduit.
  • Une deuxième solution consiste à introduire dans la formulation des quantités élevées de photo-amorceurs et de molécules (synergistes) dont le rôle consiste à réagir avec, et donc éliminer, l'oxygène présent dans la zone réactionnelle. Même si ces produits sont de plus en plus performants, on estime que, dans les formulations courantes, 80% des photoamorceurs et des synergistes réagissent avec l'oxygène et servent donc à le détruire, les 20% restant servent à assurer la réticulation des résines UV.
  • Or, ces produits chimiques constituent la partie la plus onéreuse de la formulation et de plus, ils peuvent être nocifs et leur utilisation peut induire un jaunissement de la résine réticulée ainsi qu'une très forte odeur.
  • Enfin, une troisième solution consiste à éliminer l'oxygène résiduel présent dans la zone réactionnelle et à remplacer cet oxygène par un gaz inerte tel que l'azote. Cette solution nécessite de modifier l'enceinte, système ouvert, où a lieu la réticulation de la résine et à l'équiper d'un dispositif permettant d'opérer sous atmosphère contrôlée inerte. La réticulation de résines UV sous atmosphère contrôlée d'azote présente de multiples avantages puisque l'absence d'oxygène dans la zone UV permet d'augmenter la vitesse de réticulation, de réduire l'intensité lumineuse des lampes UV ou le nombre de lampes UV utilisées, de réduire la quantité de photoamorceurs et de synergistes introduits dans la formulation et de réduire la formation de sous-produits (tels que les peroxydes et les hydroperoxydes) tout en obtenant un produit fini de très grande qualité.
  • Par ailleurs il faut signaler que de telles conditions de travail sous atmosphère inerte présentent l'avantage de limiter la formation d'ozone dans l'enceinte.
  • Le document WO 0014468 a par exemple proposé un équipement qui permet de fonctionner avec environ 50 ppm d'oxygène résiduel dans la zone réactionnelle, à des vitesses atteignant plusieurs centaines de mètres par minute. Cet équipement est caractérisé par la présence de deux blocs d'injection de gaz placés en entrée et en sortie de l'enceinte UV. Chacun de ces blocs comprend deux systèmes d'injection de gaz ; la première injection, placée aux extrémités de l'enceinte, a pour fonction de s'opposer à toute entrée d'air dans l'enceinte et la deuxième injection, placée vers l'intérieur de l'enceinte, a pour fonction de remplir l'enceinte avec de l'azote. Le premier système d'injection est une fente orientée de façon à ce que le flux de gaz soit dirigé vers l'extérieur de l'enceinte. Le deuxième système d'injection est un tube possédant des pores orientés de façon à ce que le flux de gaz soit dirigé vers l'intérieur de l'enceinte. La largeur de la fente ainsi que les angles d'orientation des deux systèmes d'injection sont modifiables et dépendent des conditions opératoires.
  • Toutefois, les débits de gaz nécessaires à une faible concentration en oxygène résiduel en fonction des vitesses utilisées sont très élevés (voire considérables). A titre d'exemple, à 200 m/min, la quantité d'azote doit être de 140 normaux m3/h pour une concentration inférieure à 50 ppm. De plus, le rejet d'une quantité élevée d'azote à l'extérieur de l'enceinte UV dans la zone de travail nécessite un système d'aspiration efficace pour éviter un risque d'asphyxie par anoxie.
  • On peut aussi signaler que la Demanderesse a proposé dans le document WO 02140738 un équipement permettant le contrôle et la gestion des gaz lors d'opérations nécessitant un contrôle de l'atmosphère à l'intérieur d'une enceinte. Les opérations visées par ce document antérieur étaient notamment les traitements de surface par décharge électrique à pression atmosphérique en présence d'un mélange gazeux et sous atmosphère contrôlée, ou encore des opérations de type « UV et EB curing ». Selon ces travaux antérieurs, l'équipement recommandé comprend :
    • des dispositifs d'entrée et de sortie attenant à l'enceinte pour s'opposer respectivement à une entrée d'air dans l'enceinte et à une sortie d'effluents gazeux de celle-ci ;
    • un dispositif d'aspiration comportant une conduite débouchant dans l'enceinte ; et
    • des moyens de régulation du débit de gaz aspiré par ledit dispositif d'aspiration afin de maintenir entre l'intérieur de l'enceinte et l'atmosphère environnante une différence de pression approximativement nulle.
  • Chacun des dispositif d'entrée et sortie est typiquement constitué (voir figure 1 ci-dessous, on peut aussi se reporter à la figure 2 dudit document WO 0240738 ) de trois composants positionnés en série et vus successivement par le substrat traité : un canal, une fente d'injection de gaz et un « labyrinthe ». La notion de « labyrinthe » est bien détaillée dans ce document antérieur, et concerne en fait un système de gorges ouvertes en vis-à-vis de l'espace intérieur (gap) du dispositif d'entrée (ou de sortie) concerné (dans lequel circule le substrat à traiter) et formant un labyrinthe.
  • Le canal, séparé de la fente d'injection de gaz par une cloison, est ouvert en vis-à-vis de l'espace intérieur du dispositif d'entrée ou de sortie concerné.
  • Le gaz (azote) injecté au travers de la fente va permettre de décoller la couche limite d'air entraîné à la surface du film. En effet, le labyrinthe en créant une zone de surpression (perte de charge élevée) dans le sens de défilement du film oblige l'azote à aller vers l'amont c'est à dire dans le canal. Ce phénomène est favorisé par une perte de charge plus faible au niveau du canal. Cette turbulence dans le canal créée une zone de faible dépression à la surface du film qui arrache la couche limite d'air situé à la surface du film. Puis le flux d'azote dans le canal devient laminaire et forme un effet piston qui s'oppose au flux d'air et le repousse. La combinaison de ces trois éléments (canal, couteau d'azote, labyrinthe) permet, en entrée, d'empêcher l'air d'entrer à l'intérieur de l'enceinte tout en minimisant la consommation d'azote. Le même joint labyrinthe placé en sortie permet d'empêcher les effluents gazeux de sortir de l'enceinte.
  • Cet équipement a montré une remarquable efficacité puisqu'il permet d'effectuer un traitement de surface de film en présence d'une concentration d'oxygène ne dépassant pas 50 ppm avec des débits d'azote acceptables.
  • L'utilisation de cet équipement antérieur pour réduire la concentration en oxygène lors de la réticulation de revêtements par des rayonnements UV a bien entendu été envisagée. Cependant il est apparu clairement que pour au moins les raisons suivantes, cet équipement n'était pas optimisé pour répondre à cet objectif technique : d'une part le procédé de réticulation UV n'inclut pas de traitement de surface et ne nécessite donc pas l'injection d'un gaz de traitement à base d'azote à l'intérieur de l'enceinte. Mais d'autre part l'absence de formation d'effluents gazeux nocifs dans la zone UV ne rend pas indispensable l'utilisation d'un système d'aspiration central pour les évacuer, système d'aspiration qui est en général, en conséquence, absent de telles installations.
  • Il est donc apparu que des modifications sensibles de cet équipement antérieur étaient recommandées pour répondre à cette nouvelle problématique technique.
  • A titre illustratif, il a été réalisé un essai de contrôle de l'atmosphère sur un prototype industriel du type de celui représenté en figure 1, dans les conditions détaillées ci-après. Dans tout ce qui suit les débit de gaz seront exprimés en Normaux Litres par m2 de substrat traité (et non pas comme traditionnellement en m3/h), ce qui est très avantageux pour pouvoir comparer des machines à laizes différentes.
  • Les conditions opératoires adoptées sont donc les suivantes :
    • la présence des dispositifs d'entrée-sortie à trois composants (canal, fente d'injection et labyrinthe) tels que décrits précédemment en relation avec la figure 1 ;
    • aucune injection de gaz de traitement dans l'enceinte ;
    • le système d'aspiration centrale était arrêté, de même que le système de régulation de la pression.
  • Dans de telles conditions opératoires, les essais ont consisté à mesurer la concentration d'oxygène à l'intérieur de l'enceinte et à environ 0,8 mm de la surface du rouleau en injectant environ 1,4 normaux l/m2 d'azote dans chaque dispositif d'entrée/sortie, avec une laize de 700 mm se déplaçant à des vitesses comprises entre 50 et 250 m/min. Les résultats des mesures montrent que la concentration en oxygène se situe entre 6000 et 8000 ppm selon la vitesse utilisée (ces résultats sont représentés sur la figure 4 ci-dessous). L'utilisation de débits d'azote plus élevés (3,25 Normaux litres/m2 dans chaque dispositif d'entrée/sortie) permet de réduire cette concentration à environ 3000 ppm.
  • Les résultats montrent clairement que l'utilisation de ces dispositifs antérieurs ne permet pas l'obtention d'une concentration résiduelle en oxygène suffisamment faible pour bon nombre des applications envisagées. Et l'on voit notamment que même en ayant supprimé la dépression à l'intérieur de l'enceinte créée par l'aspiration centrale, ces systèmes sont insuffisamment performants dans les conditions opératoires (notamment de vitesse de défilement) testées.
  • On peut avancer l'hypothèse que ce résultat peut s'expliquer par la suppression de l'injection du mélange de gaz de traitement à l'intérieur de l'enceinte, qui participe à l'obtention d'une faible concentration en oxygène, mélange de traitement dont l'injection avait été arrêtée pour ces essais (fort logiquement puisque l'application visée ici est une application de réticulation UV).
  • La présente invention s'attache donc à proposer un nouvel équipement de réticulation Ultra Violette ou par faisceau d'électrons, dont la conception permet de réduire sensiblement la concentration d'oxygène régnant à l'intérieur de l'enceinte.
  • L'équipement selon l'invention est basé sur l'utilisation de deux dispositifs en entrée et en sortie d'enceinte (voir figure 2 ci-dessous) :
    • le dispositif d'entrée est constitué d'au moins les trois composants suivants, vus successivement par le produit défilant à traiter : un système de labyrinthe, une fente d'injection de gaz et un canal.
    • le dispositif en sortie d'enceinte est avantageusement constitué d'au moins les trois composants suivants, vus successivement par le produit défilant à traiter : un canal, une fente d'injection de gaz et un système de labyrinthe.
  • A titre illustratif les valeurs suivantes de géométrie ont été notamment jugées satisfaisantes :
    • Hauteur des gorges des labyrinthes égale à 4.5 mm.
    • Largeur des dents des labyrinthes égale à 2 mm.
    • Largeur des gorges des labyrinthes égale à 5 mm.
    • Hauteur des canaux égale à 3 mm.
    • Longueur des canaux égale à 38 mm.
  • La longueur du canal respecte préférentiellement la règle suivante : Longueur = 6 × hauteur du canal .
    Figure imgb0003
  • La hauteur du canal est avantageusement comprise ente 3 et 5 mm.
  • Dans cette configuration (disposition et géométrie des composants), le dispositif en entrée d'enceinte a, on peut penser, une double fonction : du fait de la perte de charge créée par le labyrinthe d'entrée, l'azote injecté a tendance à se diriger vers l'intérieur de la chambre (enceinte) de réticulation, et permet de minimiser très fortement l'entrée d'air dans cette même enceinte. De même pour ce qui est du dispositif en sortie d'enceinte qui permet de diriger de l'azote vers l'intérieur de l'enceinte et de limiter les rejets de gaz vers l'extérieur.
  • Dans ce qui vient d'être décrit ci-dessus, il faut souligner que le dispositif d'entrée joue un rôle primordial, quant au dispositif de sortie, si sa présence pourrait être occultée ou à tout le moins simplifiée dans sa structure pour certaines applications moins exigeantes (comme on va le voir ci-dessous), sa présence est fortement recommandée afin de travailler dans des conditions optimales d'atmosphère.
  • La présente invention concerne alors une installation de réticulation d'un enduit tel qu'une encre ou un vernis par rayonnement Ultra Violet ou par faisceau d'électrons, en présence d'un mélange gazeux à teneur résiduelle en oxygène contrôlée, l'installation comprenant une enceinte qui comprend une ou plusieurs lampes UV ou une source d'électrons accélérés, nécessaires à la réalisation de l'opération de réticulation , se caractérisant en ce qu'elle comporte un dispositif d'entrée attenant à l'enceinte comprenant au moins les trois composants suivants, vus successivement par le produit défilant à traiter : un système de labyrinthe, des moyens pour injecter un gaz inerte en formant un couteau gazeux et un canal.
  • L'installation selon l'invention pourra par ailleurs adopter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
    • l'installation comporte un dispositif de sortie attenant à l'enceinte et constitué d'au moins les trois composants suivants, vus successivement par le produit défilant à traiter : un canal (« canal de sortie »), des moyens pour injecter un gaz inerte en formant un couteau gazeux et un moyen de création d'une perte de charge tel qu'un profilé lisse, la distance entre le profilé lisse et la surface de l'enduit étant inférieure à la hauteur dudit canal.
    • l'installation comporte un dispositif de sortie attenant à l'enceinte et constitué d'au moins les trois composants suivants, vus successivement par le produit défilant à traiter : un canal, des moyens pour injecter un gaz inerte en formant un couteau gazeux et un système de labyrinthe.
    • ledit dispositif d'entrée comprend au moins les cinq composants suivants, vus successivement par le produit défilant à traiter : un canal, une 1ere fente d'injection de gaz, un labyrinthe, une 2d fente d'injection de gaz, suivie d'un second canal.
    • lesdits moyens pour injecter du gaz inerte en formant un couteau gazeux comprennent une fente d'injection de gaz à parois planes débouchant à l'intérieur du dispositif d'entrée ou de sortie concerné.
    • le rapport entre la longueur et la hauteur d'au moins l'un desdits canaux est au moins égal à 3, préférentiellement au moins égal à 6.
  • La notion de « labyrinthe » et de « canal » selon la présente invention fait référence aux notion de « labyrinthe » et de « canal » déjà utilisées dans le document antérieur WO 02/40738 déjà discuté plus haut, également au nom de la Demanderesse.
  • Et donc comme bien figuré sur les figures ci-dessous, la notion de « labyrinthe » concerne un système de gorges ouvertes en vis-à-vis de l'espace intérieur du dispositif d'entrée ou de sortie concerné et formant un labyrinthe.
  • La figure 3 ci-après rapporte le résultat d'essais de mise en oeuvre d'un équipement conforme à l'invention, comportant les systèmes d'entrée/sortie décrits dans le cadre de la figure 2, essais qui ont consisté à mesurer la teneur en oxygène au milieu de l'enceinte, à environ 5 mm du rouleau traité, pour des vitesses comprises entre 50 et 250 m/min et des injections d'azote dans chacun des dispositifs d'entrée/sortie d'environ 1,4 à 3,25 Normaux Litres/m2. (l'abréviation « NI/m2 » utilisée sur les figures doit être comprise comme désignant effectivement des Normaux Litres/m2 de substrat traité).
  • On note donc sur la figure 3 la présence de trois courbes :
    • la courbe en « ◆ » pour un débit global (entrée + sortie) voisin de 2,8 Normaux Litres /m2 ;
    • la courbe en «■ » pour un débit global (entrée + sortie) voisin de 4,64 Normaux Litres /m2 ;
    • la courbe en « ▲» pour un débit global (entrée + sortie) voisin de 6,5 Normaux Litres /m2.
  • Les résultats des mesures montrent que la teneur en oxygène varie d'environ 34 à 380 ppm selon les conditions de vitesse et de débits d'azote pratiquées.
  • Ces essais démontrent qu'une atmosphère inerte d'azote comportant moins de 50 ppm d'oxygène résiduel a été obtenue dans l'enceinte de l'équipement conforme à la présente invention, avec une consommation de gaz tout à fait acceptable puisque comprise entre 4,6 et 6,5 Normaux Litres /m2.
  • Cette amélioration est très significative par rapport au solutions existantes énumérées précédemment.
  • Ainsi la figure 4 permet de visualiser les résultats déjà évoqués plus haut, tels qu'obtenus avec un équipement antérieur muni de dispositifs à l'entrée et à la sortie conformes à la figure 1.
  • On note donc sur la figure 4 la présence de trois courbes :
    • la courbe en « ◆ » pour un débit global (entrée + sortie) voisin de 2,8 Normaux Litres /m2 ;
    • la courbe en « ■ » pour un débit global (entrée + sortie) voisin de 4,6 Normaux Litres /m2 ;
    • la courbe en « ▲ » pour un débit global (entrée + sortie) voisin de 6,5 Normaux Litres /m2.
  • Comme on l'avait déjà indiqué plus haut, ces résultats de mesures montrent que la concentration en oxygène se situe entre 6000 et 8000 ppm selon la vitesse utilisée pour le débit global de 2,8 Normaux Litres /m2. L'utilisation de débits d'azote plus élevés (3,25 Normaux Litres /m 2 dans chaque dispositif d'entrée/sortie, débit global de 6,5 Normaux Litres /m2) permet de réduire cette concentration à environ 3000 ppm.
  • La figure 5 permet quant à elle de visualiser une comparaison des résultats obtenus dans le cadre de la figure 3 avec ceux obtenus dans le cadre de la figure 4. L'axe en ordonnées représente la réduction (en %) de la teneur en oxygène réalisée grâce à l'équipement conforme à l'invention.
  • La réduction du taux d'oxygène « dO2/O2» exprimée en % est définie par la relation suivante : dO 2 / O 2 = ( ( O 2 figure 4 - O 2 figure 3 ) / O 2 figure 4 ) × 100
    Figure imgb0004
  • On constate alors que la réduction du taux d'oxygène résiduel dans l'enceinte est d'au moins 94% avec les mêmes paramètres de vitesse et de débits d'azote, elle atteint même 98 à 99 % dans le cas des débits les plus élevés.
  • Les figures 6 et 7 illustrent une autre configuration d'équipement conforme à l'invention.
  • Dans cette configuration, le dispositif en entrée d'enceinte (représenté en figure 6) a été modifié, il est ici constitué de cinq composants. Successivement : un canal, une (1ere) fente d'injection de gaz, un labyrinthe, une (2d) fente d'injection de gaz suivie d'un autre canal.
  • Pour sa part le dispositif de sortie d'enceinte (figure 7) est identique à celui de la figure 2, tel que constitué de trois composants successifs : un canal, une fente d'injection d'azote suivie d'un labyrinthe.
  • L'orientation des fentes d'injection d'azote par rapport au rouleau est, pour le mode de réalisation représenté, d'environ 90° pour la 1ere fente du dispositif d'entrée et de 45° pour la 2d fente du dispositif d'entrée. La largeur des fentes est respectivement voisine de 0,2 mm pour la 1ere fente et 0,4 mm pour la 2d fente. La distance entre le dispositif d'entrée et le rouleau est voisine de 0,8 mm.
  • L'orientation de la fente d'injection d'azote du dispositif de sortie est d'environ 90° par rapport au rouleau et sa largeur d'environ 0,3 mm. La distance entre le dispositif de sortie et le rouleau de support est voisine de 0,8 mm.
  • La configuration illustrée par ce mode de réalisation permet une efficacité encore améliorée dans le décollement de la couche limite d'air située à la surface du film (par rapport à la configuration précédemment décrite en liaison avec la figure 2), et donc une meilleure assurance que l'air véhiculé à la surface du film ne pénétrera pas dans l'enceinte de traitement.
  • On peut en fait concevoir le dispositif d'entrée de la figure 6 comme une combinaison des dispositifs d'entrée de la figure 1 et de la figure 2 :
    • la première fente d'injection, de par sa position en amont du labyrinthe, tend à diriger le gaz vers l'amont et donc à repousser les entrées d'air ;
    • la seconde fente d'injection, de par sa position en aval du labyrinthe, tend à diriger le gaz vers l'aval et donc à remplir de gaz l'enceinte.
  • Afin de mesurer l'efficacité de ce dernier mode de réalisation, des expérimentations sur le contrôle d'atmosphère dans une enceinte équipée de dispositifs d'entrée/sortie tels que ceux illustrés en liaison avec les figures 6 et 7 ont été effectuées. Les résultats sont regroupés dans le tableau 1 ci-dessous.
    Vitesse du film (m/min) 100 150 200 250
    Débit d'azote fente N°1 (Normaux m3/h) 10 10 10 10
    Débit d'azote fente N°2 (Normaux m3/h) 10 10 10 10
    Débit d'azote fente N°3 (Normaux m3/h) 25 35 50 62
    Débit total (Normaux m3/h) 45 55 70 82
    Débit total (Normaux litres/m2) 5,8 4,7 4,5 4,2
    Teneur O2 (ppm) 39 34 32 26
  • Les fentes N°1 et 2 correspondent à celles du dispositif d'entrée, tandis que la fente N° 3 correspond à celle du dispositif de sortie.
  • On note que sur le tableau on a indiqué les débit à la fois en Normaux m3/h (comme c'est traditionnel) et en Normaux litres/m2 de film traité pour pouvoir continuer la comparaison avec les résultats présentés précédemment.
  • Les résultats montrent que grâce à l'équipement des figures 6 et 7, des traitements sous irradiation UV peuvent être effectués dans une atmosphère inerte d'azote contenant moins de 40 ppm d'oxygène, quelque soit la vitesse, avec un débit total d'azote compris entre 4,2 et 5,8 Normaux litres/m2 (donc en général inférieur aux débits requis dans le cadre du mode de réalisation de la figure 2).
  • Dans ce qui précède, l'invention a tout particulièrement été illustrée à l'aide d'exemples mettant en oeuvre de l'azote, mais il faut noter que l'on peut, sans sortir à aucun moment du cadre de la présente invention, utiliser d'autres gaz ou mélanges gazeux, et notamment l' argon, le CO2, l'hélium ou encore leurs mélanges.
  • On peut même indiquer que l'on utilisera préférentiellement le CO2 ou les mélanges comportant du CO2 puisque l'on a constaté que lorsque l'on utilise du CO2 (par rapport à de l'azote) :
    • on peut réduire le débit de gaz à mettre en oeuvre pour une même performance de teneur résiduelle en oxygène dans l'enceinte ;
    • que pour un même débit de gaz on réduit la teneur résiduelle en oxygène obtenue dans l'enceinte.
  • De tels résultats sont probablement à relier à la densité du CO2 qui est supérieure à celle de l'azote.

Claims (6)

  1. Installation dans laquelle est réalisée une opération de réticulation d'un enduit tel qu'une encre ou un vernis par rayonnement Ultra Violet ou par faisceau d'électrons, en présence d'un mélange gazeux à teneur résiduelle en oxygène contrôlée, l'installation comprenant une enceinte qui comprend une ou plusieurs lampes UV ou une source d'électrons accélérés, nécessaires à la réalisation de l'opération de réticulation , se caractérisant en ce qu'elle comporte un dispositif d'entrée attenant à l'enceinte comprenant au moins les trois composants suivants, vus successivement par le produit défilant à traiter : un système de labyrinthe, des moyens pour injecter un gaz inerte en formant un couteau gazeux et un canal.
  2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de sortie attenant à l'enceinte et constitué d'au moins les trois composants suivants, vus successivement par le produit défilant à traiter : un canal (« canal de sortie »), des moyens pour injecter un gaz inerte en formant un couteau gazeux, et un moyen de création d'une perte de charge tel qu'un profilé lisse, la distance entre le profilé lisse et la surface de l'enduit étant inférieure à la hauteur dudit canal.
  3. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de sortie attenant à l'enceinte et constitué d'au moins les trois composants suivants, vus successivement par le produit défilant à traiter : un canal, des moyens pour injecter un gaz inerte en formant un couteau gazeux et un système de labyrinthe.
  4. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit dispositif d'entrée comprend au moins les cinq composants suivants, vus successivement par le produit défilant à traiter :
    un canal, une 1ere fente d'injection de gaz, un labyrinthe, une 2d fente d'injection de gaz, suivie d'un second canal.
  5. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdits moyens pour injecter du gaz inerte en formant un couteau gazeux comprennent une fente d'injection de gaz à parois planes débouchant à l'intérieur du dispositif d'entrée ou de sortie concerné.
  6. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le rapport entre la longueur et la hauteur d'au moins l'un desdits canaux est au moins égal à 3, préférentiellement au moins égal à 6.
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