FI124403B - Menetelmä infrapunakäsittelyn suorittamiseksi - Google Patents

Description

MENETELMÄ INFRAPUNAKÄSITTELYN SUORITTAMISEKSI

Tämän keksinnön kohteena on menetelmä infrapunakäsittelyn suorittamiseksi extruuderin yhteydessä olevassa infrapunauunissa. Menetelmää käytetään muovi- tai elastomeerituot-teen valmistuksessa.

Keksinnön käyttöala on sellainen muovi- ja elastomeerituotteiden valmistus, johon liittyy muodostettavan tuotteen kerroksien sisäisten tai niiden välisten ristisilloitusten aikaansaaminen kohdistamalla sellaisen aallonpituuden omaava infrapunasäteily ristisilloituk-sessa käytettävään lisäaineeseen, jolla on sama värähtelytaajuus kuin lisäaineella, ja jolloin tämä säteily muuttuu lämmöksi lisäaineessa. Tämän lämmön vaikutuksesta hajotessaan lisäaine muodostaa vapaita radikaaleja, jotka saavat aikaan kemiallisten sidosten muodostumisen tuotteessa, määrätyssä kohdassa sitä.

On siis tunnetun tekniikan mukaista kuumentaa extruuderista ulos tuleva muovi- tai elas-tomeerituote halutun, sen ominaisuuksia muuttavan vaikutuksen aikaansaamiseksi. Edelleen on tunnetun tekniikan mukaista suorittaa tämä kuumennus käyttäen infrapunasäteilyä ja erityisesti sellaista säteilyn aallonpituutta, joka tunkeutuu tuotteen seinämän sisään niin, että kuumeneminen tapahtuu lähes samanaikaisesti koko seinämän syvyydeltä, jolloin vältetään hidas lämmönjohtuminen muovi- tai elastomeerirakenteessa.

Eräs tällainen tunnetun tekniikan mukainen menetelmä on esitetty patenttijulkaisussa GB 2283 489. Tässä materiaalia ristisilloitetaan infrapunasäteilyn avulla niin, että säteilyn aikaansaama lämpötila vastaa ristisilloitusreaktion vaatimaa aallonpituutta.

Samansuuntainen tunnetun tekniikan mukainen menetelmä on esitetty myös patenttijulkaisussa FI 109706. Tämän mukaan muovimateriaalissa oleva lisäaine hajotetaan johtamalla siihen infrapunasäteilyä, jonka aallonpituus on valittu siten, että se läpäisee mahdollisimman hyvin itse muovimateriaalin, mutta absorboituu mainittuun lisäaineeseen kuumentaen ja hajottaen sen.

Edellä kuvattujen tunnetun tekniikan mukaisten menetelmien suurimpana epäkohtana voidaan pitää sitä, että kun niissä käytettävä infrapunasäteily koostuu väistämättä aina jakaumasta erilaisia aallonpituuksia, niin ei voida välttää sitä tosiseikkaa, että osa tästä aallonpituusalueesta, joka noudattaa likimäärin Gaussin käyrän tiettyä osaa, sisältää myös ns. pitkän aallonpituuden omaavia säteitä, jotka eivät tunkeudu materiaaliin, vaan absor- hoituvat tuotteen pintaan aikaansaaden haitallista tuotteen ylikuumentumista. Tästä johtuen tuotteen pinta voi hapettua tai reagoida muuten ei toivotulla tavalla.

Tätä ongelmaa on pyritty ratkaisemaan patenttijulkaisun US 6.106.761 esittelemällä keksinnöllä. Tässä julkaisussa esitetään ongelman ratkaisuna niiden infrapunasäteiden eliminoiminen, jotka vastaavat kuumennettavan materiaalin absorptiopiikkejä, jolloin pinnan ylikuumeneminen vältettäisiin. Julkaisussa on mainittu konkreettisena näiden säteiden eliminointikeinona niiden suodattaminen. Tunnetun tekniikan mukaisesti tämä on kuitenkin erittäin vaikeasti toteutettavissa siitä syystä, että kun suodattimella suodatetaan tiettyjä aallonpituuksia, niin se jonkin ajan kuluttua kuumenee ja muuttuu itse infra-punalähteeksi ja lähettää itse samaa suodatettua aallonpituutta kohdemateriaaliin.

Eräs tunnetun tekniikan mukainen menetelmä tuotteen ylikuumentumisen ehkäisemiseksi on jäähdyttää sen pintaa infrapunakäsittelyn aikana. Tunnetusti tämä voidaan toteuttaa esim. puhaltamalla viilentävää kaasua, kuten ilmaa tuotteeseen. Tämän menetelmän suurimpana epäkohtana on se, että tämä jäähdytys viilentää myös infrapunalamppuja, jolloin niiden teho heikkenee. Toinen epäkohta on epäpuhtauksien roiskuminen tuotteesta lamppuihin ja niiden likaantumisen myötä koituva tehohäviö.

Julkaisu EP 2 052 830 A2 esittää erään toisen inffapunauuniin liittyvän jäähdytysratkai-sun ja se on seuraavan kaltainen: Kaasuvirrat (9) etenevät monokasettien läpi noudattaen suuntaa takapuolelta etupuolelle. Toinen kaasuvirta (12) etenee ylhäältä alas samaan inf-rapunasäteilylähteiden väliseen kanavaan kuin em. kaasuvirrat. Monokasettien läpi tulevien kaasuvirtojen (9) paine on suurempi kuin toisen, ylhäältä tulevan kaasuvirran, jolloin nämä kaasuvirrat yhtyvät infrapunalamppuj en välisessä kanavassa ja monokaseteissa lämmenneet kaasuvirrat (9) lämmittävät ylhäältä tuotteeseen tulevaa kaasuvirtaa (12). Tämän tekniikan epäkohtana on se, että monokasettien läpi tulevat kaasuvirrat heikentävät ylhäältä tuotteeseen tulevan kaasuvirran jäähdytystehoa.

Keksinnön suurimpana etuna tunnettuun tekniikkaan nähden voidaan pitää sitä, että valmistettavan tuotteen pintaa voidaan jäähdyttää tehokkaasti infrapunalamppuj en tehon siitä kärsimättä, jolloin ristisilloitukseen kohdistuvat, tietyn taajuuden omaavat säteet voidaan tuottaa ilman lamppujen tehohäviöitä, jonka niille aiheuttaa tunnettua tekniikkaa käytettäessä jäähdytyskaasun virtaus.

Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan sellainen menetelmä, jolla voidaan poistaa tunnetussa tekniikassa esiintyviä haittoja. Keksinnönmukaiselle menetelmälle tunnusomaiset piirteet on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksintöä kuvataan tämän hakemuksen piirustuksissa seuraavasti: kuvio 1 esittää erästä keksinnönmukaisessa menetelmässä käytettävää infrapunalamppu-asetelmaa infrapunauunissa, kuvio 2 esittää infrapunalamppuyksikön poikkileikkausta kuvion 1 kohdasta A-A leikattuna, kuvio 3 esittää yhden monokasetin poikkileikkausta kuvion 2 osoittamasta kohdasta z suurennettuna.

Seuraavassa selitetään keksinnönmukaisen menetelmän käyttö edellä mainittuihin kuvioihin viittaamalla.

Kuviossa 1 on kuvattu kuudella infrapunayksiköllä 101 varustettu infrapunauuni 100, joka on asetettu extruuderin yhteyteen, valmistusprosessissa sitä seuraavaksi laitteeksi. Kolme näistä infrapunayksiköistä 101 on sijoitettu päällekkäin tuotteen 102, joka on tässä esimerkissä kerrosmuoviputki, ympärille, tuotteen kulkusuunnassa ennen sen syöttö-koneistoa 103, joka on sijoitettu infrapunauunin 100 yläosaan, ja toiset kolme sen jälkeen. Kuviossa 2 on kuvattu yhden infrapunayksikön 101 poikkileikkaus kuvion 1 merkinnän A-A mukaan ja siitä voidaan nähdä, että tämä yksikkö käsittää neljän infrapunalampun 1 muodostaman kehän, jossa lamput ovat pareittain vastakkain, eli vierekkäin olevien lamppujen välinen kulma tuotteen 102 keskilinjan kautta mitattuna on aina suorakulma. Jokainen lamppu 1 on sijoitettu erilliseen laitteeseen ja tällaista yhden lampun käsittävää laitetta kutsutaan monokasetiksi 2. Kun nämä lamput 1 lähettävät infrapunasäteilyä 104 tuotteen 102 suuntaan, niin osa näistä säteistä läpäisee tuotteen pinnan, osuu sen kanssa samalla taajuudella värähtelevään lisäaineeseen, muuttuu lämmöksi ja saa aikaan ristisil-loitusreaktion. Edellisiä pitemmän aallonpituuden omaavat säteet puolestaan eivät kykene läpäisemään tuotteen 102 pintaa vaan muuttuvat siinä lämmöksi ja saavat aikaan epäedullista tuotteen kuumenemista sen pinnasta käsin. Eräs konkreettinen tästä aiheutuva haitta on käryn muodostuminen, jonka takia tuotetta 102 jäähdytetään sen pintaan puhallettavalla kaasuvirralla 3. Tämä kaasuvirta 3 on tässä esimerkissä ilmavirta. Ilmavirta johdetaan tässä esimerkissä monokasettien 2 väliin, tuotteen 102 pintaan ylhäältä päin (kuvio 1).

Jotta tämä ilmavirta ei osuisi myös infrapunalamppuihin 1, niin näiden lamppujen ja tuotteen 102 väliin on asennettu kuumuudenkestävät lasit 4. Näiden lasien 4 tehtävänä on estää jäähdyttävän kaasuvirran 3 pääsy inirapunalamppuihin 1 ja sen lisäksi estää myös tuotteesta irtaantuvan epäpuhtauden siirtyminen näihin lamppuihin.

Kaasuvirta 3 voidaan asettaa osumaan pääasiallisesti vain tuotteeseen 102 ja laseille 4 jäljestetään oma/ omat kaasuvirta/ kaasuvirrat 5. Kaasuvirroille 3 ja 5 voidaan asettaa omat säätöelimet, jolloin niiden ominaisuudet kuten esim. nopeus ja lämpötila voidaan asettaa tarvittaessa toisistaan poikkeaviin arvoihin. Samoin on mahdollista jäljestää eri laseihin 4 kohdistuville kaasuvirroille 5 omat säätömahdollisuudet.

Tuotteeseen kohdistetun kaasuvirran 3 suunta voi olla ylhäältä alas, alhaalta ylös tai sitten jonkun muun suuntainen jos infrapunayksikkö ei ole pystysuunnassa. Se voidaan asettaa prosessin etenemissuunnassa ensimmäisinä oleviin infrapunayksiköihin 101 pienemmäksi kuin jäljempänä oleviin, koska myös tuote 102 kuumenee tähän suuntaan edetessä. Vastaavasti lasien 4 jäähdytyksessä käytettävät kaasuvirrat 5 voidaan säätää eri infrapunayk-siköissä 101 vastaamaan lasien 4 erilaisia jäähdytystarpeita.

Koska myös laseihin 4 voi absorboitua osa infrapunalamppujen 1 lähettämästä säteilystä, kuten aiemmin kerrotulla tavalla tapahtuu suodattimille, ja ne voivat muodostua jonkin ajan kuluttua itse infrapunalähteiksi alkaen lähettää kuumentavia säteitä tuotteen 102 pintaan, niin säätämällä kaasuvirtojen 3 ja 5 määrää ja suuntaa sopivaksi siten, että ne jäähdyttävät sekä tuotteen 102 pintaa että laseja 4 riittävästi, mutta eivät liikaa, päästään tilanteeseen jossa lasit 4 pysyvät sellaisessa lämpötilassa jossa ne eivät lähetä infra-punasäteilyä ja tuotteen pinta ei reagoi epäedullisesti, esim. muodostamalla käryä.

Kun tarkastellaan kuviossa 2 olevaa infrapunalamppuyksikön poikkileikkausta, niin nähdään tuotteen 102 ympärille ryhmitettyjen monokasettien 2 sisältävän kullalla pinnoitetut heijasiinpinnat 2.1. Nämä pinnat ovat edullisesti sen muotoisia, että ne kohdistavat oleellisesti kaiken samassa monokasetissa 2 olevasta infrapunalampusta 1 tulevan infra-punasäteilyn 104 samansuuntaisena infrapunayksikön 101 keskelle. Samoin ne taittavat sen vastapuolella olevasta infrapunalampusta tulevat säteet takaisin niiden tulosuuntaan. Näin on saatu aikaan voimakas infrapunavirta, joka myös aiheuttaa voimakkaan tuotteen 102 ulkoisen kuumentumisen. Keksinnönmukaisella menetelmällä voidaan kuitenkin hallita tämä epäkohta siten, että jäähdytys ei vähennä lamppujen tuottamaa energiaa, jolloin niiden hyötysuhde pysyy korkeana.

Kuviossa 3 on näytetty kanava 105, jota pitkin ohjataan viilentävä kaasuvirta itse mono-kasetin sisälle tunnetun tekniikan mukaisesti. Tämä on tarpeen sen takia, että monokasetin sisältämät kaapelit ym. herkät korkeaa lämpötilaa sietämättömät osat eivät vaurioidu.

Keksinnönmukaista menetelmää voidaan soveltaa monella eri tavalla koostetuissa infra-punayksiköissä 101. Infrapunalamppujen 1 lukumäärä siinä voi olla mikä tahansa käyttökelpoinen määrä. Niin ikään ne voidaan sijoittaa toisiinsa nähden millä tavalla tahansa. Päällekkäin/ peräkkäin olevat infrapunayksiköt 101 voidaan puolestaan asettaa infrapuna-uunissa 100 vapaasti toisiinsa nähden. Eräs edullinen keino on asettaa ne määrätyn suuruiseen rotaatioon toisiinsa nähden, jolloin vältytään infrapunasäteiden 104 katvealueilta.

Keksinnön toiminnan varmistamiseksi on suoritettu saija kokeita, joissa valmistettiin edellä kerrotun kaltaisella, extruuderin yhteydessä käytetyllä keksinnönmukaisella menetelmällä ja tunnetun tekniikan mukaisella menetelmällä muoviputkea, jonka ulkohalkaisi-ja oli 16 mm ja seinämänpaksuus 2 mm. Putki valmistettiin korkean molekyylipainon omaavasta HD- polyeteenistä, jonka joukkoon oli ennen extruusiota sekoitettu 0,45 % orgaanista peroksidia. Välittömästi extruusion jälkeen tuotetta kuumennettiin infra-punasäteilyllä siten, että kuumennuspituus oli 960 mm, putken viipymäaika kuumennuksessa oli 6 sekuntia, infrapunateho oli 36 kW ja käytetyn infrapunasäteilyn aallonpituuden keskiarvo oli 1,6 pm. Putken lämpötila välittömästi extruusion jälkeen oli sekä pinnassa että seinämän keskeltä mitattuna 162 °C.

Kokeita tehtiin yhteensä neljä kappaletta ja kunkin kokeen yhteydessä mitattiin infra-punakuumennuksen jälkeen lämpötila sekä putken seinämän keskeltä (Tl) että putken pinnasta (T2) seuraavin tuloksin:

koe 1, ei eristävää lasia, ei kaasuvirtausta Tl 210 °C T2 310 °C

koe 2, eristävä lasi, ei kaasuvirtausta Tl 210 °C T2 340 °C

koe 3, ei eristävää lasia, kaasuvirtaus T1195°C T2 200°C

koe 4, eristävä lasi, kaasuvirtaus Tl 210 °C T2 200 °C

Tuloksista voidaan havaita, että tasapainoisin tulos saadaan kokeen neljä mukaisella järjestelyllä, jossa kaasuvirtaus jäähdyttää sekä muoviputken pintaa että eristävää lasia. Tämä järjestely vastaa keksinnönmukaista menetelmää, kokeessa kolme kaasuvirtaus jääh dytti myös infrapunalähdettä ja siksi muoviputken seinämän keskeltä mitattu lämpötila jäi matalammaksi kuin kokeessa neljä.

Kokemuksesta tiedetään, että tunkeutuvassa infrapunakuumennuksessa kuumennettavan tuotteen pinnan lämpötila ei juuri vaikuta ristisilloituksessa hyödynnettävän säteilyn tunkeutumiseen, joten pintaa voidaan jäähdyttää em. tavalla kuumennustehon siitä kärsimättä.

On huomattava, että vaikka tässä selityksessä on pitäydytty yhdentyyppisessä keksinnölle edullisessa toteuttamisesimerkissä, niin tällä ei kuitenkaan haluta mitenkään rajoittaa keksinnön käyttöä vain tämän tyyppistä esimerkkiä koskevaksi, vaan monet muunnokset ovat mahdollisia patenttivaatimuksien määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims (4)

1. Menetelmä infrapunakäsittelyn suorittamiseksi infrapunauunissa 100, jonka menetelmän mukaan: a. sen avulla valmistetaan muovi- tai elastomeerituotetta, b. siinä käytetään infrapunasäteitä (104) ristisilloituksen aikaansaamiseksi tuotteen (102) tietyssä kerroksessa tai tiettyjen kerrosten välillä, e. siinä käytetään kaasuvirtaa (3) tuotteen (102) pinnan jäähdyttämiseksi, d. vähintään yhden siinä käytettävän infrapunalähteen, kuten infrapunalampun (1) ja valmistettavan tuotteen (102) väliin asennetaan lasi (4) eristämään infra-punalamppu (1) ja tuote (102) toisistaan, tunnettu siitä, että e. lasin/ lasien (4) tuotteen (102) puoleiseen pintaan ohjataan lasia/ laseja jäähdyttävä kaasuvirta/- virrat (5) jolloin lasista/ laseista (4) ei muodostu oleellisesti tuotantoprosessiin vaikuttavaa infrapunalähdettä/ -lähteitä ja toisaalta yksikään kaasuvirta (5) ei jäähdytä lamppua (1).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että lasi (4) asetetaan kaikkien infrapunalamppujen (1) ja tuotteen (102) väliin.

3. Jonkun patenttivaatimuksista 1-2 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että laseja (4) asetetaan jäähdyttämään toisistaan erilliset ja erikseen säädettävissä olevat kaasuvirrat (5).

4. Jonkun patenttivaatimuksista 1-3 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että kaasuvirta (3, 5) on ilmavirta.