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Dokumentenidentifikation DE102005060198A1 28.06.2007
Titel Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Modifizierung von Oberflächen strahlenhärtbarer Farben und Lacke durch photochemische Mikrofaltung mittels kurzwelliger monochromatischer UV-Strahlung unter stabilen Bestrahlungs- und Inertisierungsbedingungen
Anmelder Institut für Oberflächenmodifizierung e.V., 04318 Leipzig, DE
Erfinder Mehnert, Reiner, Prof. Dr., 04416 Markkleeberg, DE;
Schubert, Rolf, Dr., 04687 Trebsen, DE;
Prager, Lutz, Dr., 04157 Leipzig, DE;
Hinkefuß, Manfred, Dipl.-Ing., 04157 Leipzig, DE;
Blaue, Rainer, Dipl.-Ing., 04315 Leipzig, DE
Vertreter M. Köhler und Kollegen, 04315 Leipzig
DE-Anmeldedatum 14.12.2005
DE-Aktenzeichen 102005060198
Offenlegungstag 28.06.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.06.2007
IPC-Hauptklasse G21K 5/04(2006.01)A, F, I, 20051214, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B05C 9/12(2006.01)A, L, I, 20051214, B, H, DE   B05D 3/06(2006.01)A, L, I, 20051214, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Modifizierung von Oberflächen dekorativer und funktioneller elektronenstrahl- oder UV-härtender Farb- und Lackbeschichtungen auf starren oder flexiblen Substraten mittels photochemischer Mikrofaltung, welche durch kurzwellige monochromatische UV-Strahlung ausgelöst wird.
Dabei werden die Strahler so gestaltet und betrieben, dass bei stabiler Inertisierung sowie Inertgaskühlung und -spülung der Wirkungsgrad der Umwandlung eingespeister elektrischer Leistung in UV-Leistung um 172 nm möglichst hoch ist, um den Alterungsprozess zu minimieren.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Modifizierung von Oberflächen dekorativer und funktioneller elektronenstrahl- oder UV-härtender Farb- und Lackbeschichtungen auf starren oder flexiblen Substraten mittels photochemischer Mikrofaltung, welche durch kurzwellige monochromatische UV-Strahlung ausgelöst wird.

Gemäß des Standes der Technik wird die zu behandelnde Oberfläche dabei mit inkohärentem, nahezu monochromatischem kurzwelligem UV-Licht bestrahlt, welches in der Lage ist, in der aus Monomeren oder Oligomeren oder einem Monomer/Oligomergemisch bestehenden auf ein vorgenanntes Substrat aufgetragenen Nassschicht Polymerradikale zu erzeugen. An deren Oberfläche und in den oberflächennahen Schichten wird in Abhängigkeit von der Eindringtiefe der UV-Strahlung, die wiederum von deren Wellenlänge und dem Extinktionskoeffizenten des Lackes abhängt, eine Polymerisation und Vernetzung ausgelöst. Diese führt aufgrund der damit einhergehenden Schrumpfspannungen erzeugenden Volumenverringerung zur Mikrofaltung, wobei je nach Kombination stofflicher und technologischer Einflussgrößen ein unterschiedliches mehr oder weniger zufälliges Faltungsbild erzeugt werden kann, das nur unter optimal eingestellten Verfahrensbedingungen homogen und nur durch exakte Wiedereinstellung aller wesentlichen Parameterkombinationen reproduzierbar ist, wobei diese hautartige Faltenschicht zunächst noch auf der noch nicht polymerisierten Nassschicht gleicher Substanz schwimmt und anschließend die gesamte Schicht mittels UV-Strahlung größerer Wellenlänge – sofern Photoinitiatoren im System vorhanden sind – oder mittels Elektronenstrahlung vollkommen durchgehärtet wird.

Dieses Verfahren der Herstellung einer strukturierten Oberfläche strahlenhärtbarer Farben und Lacke wurde bereits in vielen Details in der Patentschrift DE 198 42 510 A1 unter Auseinandersetzung mit den Patentschriften DE 44 39 350 02 und EP 07 06 834 A1 und der Gebrauchsmusteranmeldung DE 296 06 258 U1 beschrieben. Als UV-Bestrahlungsquellen werden in diesen Schriften Xe2*-Excimerlampen genannt, die bei Anregung mit einer sinusförmigen hochfrequenten Wechselspannung um 250 kHz mit einem Wirkungsgrad bis maximal 10 % bezogen auf die in die Lampe eingespeiste elektrische Energie UV-Licht mit Wellenlängen um 172 nm emittieren.

Nachteilig bei den bekannten Verfahren ist, dass die photochemische Mikrofaltung bezüglich störungsfreier Struktur und deren Reproduzierbarkeit sehr sensibel ist. Eine wesentliche Rolle spielt dabei die gleichmäßige Photonenemission der Excimerlampe, die – wie auch ihr Wirkungsgrad – stark von der Kühlung abhängt, sowie ein niedriger, gleichverteilter Restsauerstoffgehalt im Gasraum der Bestrahlungszone bei möglichst geringem Inertgasbedarf.

Die 172 nm VUV-Strahler unterliegen zudem während ihrer Betriebszeit bedingt durch verschiedene physikalische Prozesse einer Alterung, die zur Verringerung ihrer absoluten UV-Ausbeute bei kurzer Lebensdauer führt. Diese Alterung hängt vom Integral der eingespeisten elektrischen Leistung über der Zeit, also von der kumulativ eingespeisten Energie ab.

Ebenso nachteilig ist die Einschränkung in der Anwendung von 172 nm Excimer-VUV-Strahlern durch die fertigungstechnisch nur begrenzt verfügbare Länge der Strahlerröhren.

Mit den existierenden Verfahren und der dabei zur Verfügung stehenden Excimerlampen-Technik konnte zwar der Funktionsnachweis der photochemischen Mikrofaltung zur Mattierung erbracht werden, gleichzeitig wurden aber, wie aufgezeigt, bei der industriellen Anwendung noch zahlreiche technologische Probleme sichtbar, die die Einführung und Nutzung des Verfahrens behindern.

Ein wesentliches Problem der bekannten UV-Strahler besteht darin, dass deren Wirkungsgrad stark temperaturabhängig ist. Er fällt mit steigender Temperatur ab. Da der größte Teil der eingespeisten elektrischen Leistung im Gasentladungsraum des Excimerstrahlers in Wärme umgewandelt wird, steigt die sich im Gleichgewicht einstellende Temperatur des Strahlers mit erhöhter Leistungseinspeisung an, wodurch der Wirkungsgrad abfällt.

Weiterhin problematisch ist, dass im industriellen Betrieb die Strahler durch Lacknebel, die durch elektrostatische Aufladung besonders bei hoher Bahngeschwindigkeit bei noch ungehärteter flüssiger Beschichtung entstehen, verschmutzt werden, wodurch das kurzwellige UV-Licht absorbiert wird und die zu bestrahlende Oberfläche nicht mehr erreicht.

Des Weiteren führt in der Bestrahlungszone ungleichmäßig verteilter Restsauerstoff zu lokalen Inhomogenitäten in der Photonenausbeute und damit zu Abweichungen in der Mattierungsstruktur, was am Produkt visuell durch unterschiedlichen Glanz manifestiert wird.

Außerdem führen Temperaturunterschiede an der emittierenden Oberfläche des UV-Strahlers durch Verschiebung der Absorptionskante des verwendeten Quarzmaterials zu Emissionsschwankungen über der axialen Strahlerlänge, was sich gleichfalls am Produkt visuell durch unterschiedlichen Glanz äußert.

Industriell interessant sind Arbeitsbreiten > 2000 mm, zum Beispiel zur ultra-matten Überlackierung von Dekorpapieren und -folien. Die begrenzte Fertigungslänge der Excimerstrahlerröhren erfordert deshalb eine praktikable Lösung. Eine Verwendung von zwei 172 nm Excimerlampen in überlappender Anordnung scheitert an den Verfahrensparametern Dosis und Verweilzeit. Der Überlappungsbereich wird als Glanzstreifen sichtbar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorzuschlagen, mit dem unter Verwendung einer effizient stickstoffgekühlten und -inertisierten 172 nm Excimerlampe stabile und reproduzierbare Verhältnisse zur Oberflächenmodifizierung strahlenhärtbarer Farben und Lacke mittels photochemischer Mikrofaltung erreicht werden können und zugleich die Lebensdauer des 172 nm Strahlers durch schonende Betriebsweise verlängert wird.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Strahler so zu gestalten und zu betreiben, dass bei stabiler Inertisierung sowie Inertgaskühlung und -spülung der Wirkungsgrad der Umwandlung eingespeister elektrischer Leistung in UV-Leistung um 172 nm möglichst hoch ist, um den Alterungsprozess zu minimieren.

Nachfolgend soll die erfindungsgemäße Vorrichtung einer Inertgaseinspeisung in die Excimerlampe mit Gasvorverteilung und als Option ein Siebgewebe zur Turbulenzreduzierung unter der Lampe anhand der bis der Lampenquerschnitte näher erläutert werden.

Dabei zeigen:

1 ein 172 nm Doppellampensystem mit Gasvorverteilung, Gleichverteilung und Einspeisung des Inertgases durch Filterelemente aus Sintermaterial über jeder Röhre in das Lampengehäuse sowie die Turbulenzreduzierung durch Siebgewebe, vorzugsweise Metallgewebe am Strahlungsaustritt an der Unterseite des Lampengehäuses,

2 die Variante einer direkten oder indirekten automatischen Druckanpassung der Gasverteilerfläche.

Der Einfluss der eingespeisten elektrischen Leistungsparameter auf den VUV-Wirkungsgrad ist ersichtlich aus dem Beispiel in 3 UV-Ausbeute und Wirkungsgrad als Funktion der angelegten Hochspannung.

Die Varianten der Röhrenkoppelung sind in den folgenden Abbildungen dargestellt.

4 Lösbare Verbindung (Reihenschaltung) zweier 172 nm Excimerstrahlerröhren durch ein Metallkoppelstück als Hohlkolben außen mit Dichtelementen, auch für Wasserkühlung geeignet, sowie mit Elektrodenfunktion

5 unlösbare Röhrenverbindung mit anorganischer Verklebung und/oder Laserverschweißung

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei der vorgeschlagenen Vorrichtung das zur Inertisierung benötigte Inertgas durch den Lampendeckel über der Strahlerröhre axial über die gesamte Strahlerlänge gleichmäßig durch besonders gestaltete Gasverteilungselemente eingespeist wird (1), dergestalt, dass vorzugsweise Filterelemente aus keramischem, metallischem, polymerem oder anderem Sintermaterial, aber auch gebohrte oder geschlitzte Böden mit definiertem Druckverlust verwendet werden, wobei diese für eine optimale Gasverteilung notwendige Mindestdruckdifferenz von der durchgesetzten Gasmenge abhängig ist.

Die Beeinflussung dieses Druckverlustes wird erfindungsgemäß durch die freie Oberfläche in Form der Porosität, der Wanddicke des Materials der Bohrungsdurchmesser und/oder der Schlitzgröße und deren Anzahl und Anordnung realisiert.

Einen nicht unerheblichen Beitrag zur Minimierung dieser Mindestdruckdifferenz am Gasverteiler-Filterelement leistet bereits eine gute Vorverteilung des in einer Rohrleitung zugeführten Gases (1).

Um auch für unterschiedliche Gasmengenströme – zum Beispiel zur Anpassung an die Durchlaufgeschwindigkeit des Bestrahlungsgutes – mit dem optimalen Druckverlust für eine gute Gasverteilung arbeiten zu können, ist es möglich, die An- oder Ausströmfläche der Filterelemente zu variieren und dem Gasdurchsatz automatisch anzupassen (2). Mit dieser Gasverteilung wird, inertgassparend, ein gleichmäßiger Restsauerstoffgehalt auf niedrigem Niveau erreicht, wodurch ein einheitliches Mattierungsbild realisierbar ist.

Die Art der Gasführung des Inertgasstromes führt auch dazu, dass die Strahler zusätzlich und über die Strahlerröhrenlänge gleichmäßig gekühlt werden (1), wodurch die Temperatur im Gasentladungsraum bei gleicher eingespeister elektrischer Leistung sinkt und dadurch der Wirkungsgrad steigt, sowie bei gleicher Oberflächentemperatur über die gesamte Strahlerlänge eine einheitliche Photonenemission erfolgt.

Durch das Inertgas – vorzugsweise verdampfter Flüssigstickstoff – wird die netzförmige Außenelektrode gekühlt und gespült, wodurch ihre Oxidation durch vorhandenen Restsauerstoff verringert wird.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass auf diese Weise auch besser Lacknebel von der Strahleroberfläche ferngehalten wird, wodurch die Strahleroberfläche weniger verschmutzt und emittiertes UV-Licht nicht absorbiert wird.

Letzteres kann noch durch Anbringen eines Netzes oder Gitters – vorzugsweise aus Metallgeflecht, dass über die untere Austrittsöffnung der UV-Strahlung aus dem Lampengehäuse gespannt wird und keine gravierende Schwächung der Intensität des 172 nm Photonenstromes bedingt, unterstützt werden (1), wodurch Verwirbelungen des Stickstoffes in der Lampenkammer, ausgelöst an der einlaufseitigen Strömungsabreißkante insbesondere bei hohen Bahngeschwindigkeiten reduziert und das Eindringen eines Farbnebels in das Lampengehäuse zusätzlich minimiert beziehungsweise verhindert wird.

Wird dazu noch die Lampe mit einer optimalen Anregungsfrequenz und einem optimalen Scheitelwert der hochfrequenten sinusförmigen Wechselspannung – als Beispiel im Fall des wassergekühlten HERAEUS-Typs vorzugsweise von 300 bis 450 kHz bei einer Scheitelspannung im Bereich 2.5 kV < US < 4.0 kV – betrieben, weil die emittierte UV-Leistung in dem entsprechenden Frequenzbereich ein Maximum erreicht, dann wird mit dieser technischen Lösung eine Erhöhung des Wirkungsgrades erreicht und zugleich die Lebensdauer des 172 nm Excimerstrahlers durch schonende Betriebsweise verlängert (Beispiel in 3).

Das Problem bei Bestrahlungsbreiten größer als die fertigungsbedingt begrenzte Länge einer Excimerstrahlerröhre kann durch eine direkte axiale Koppelung (Reihenschaltung) zweier Strahlerröhren gelöst werden. Dafür kann eine lösbare Verbindung zwischen den Röhren mittels eines metallischen Koppelstückes und Dichtelementen gewählt werden (4). Alternativ können die Röhren bei entsprechender Anpassung der zu verbindenden Enden auch unlösbar durch beispielsweise Verkleben mit anorganischem Klebstoff oder/und Laserschweißen verbunden werden (5).


Anspruch[de]
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Modifizierung der Oberfläche strahlenhärtbarer Lacke mittels photochemischer Mikrofaltung mit stabilen Bestrahlungs- und Inertisierungsbedingungen zur Herstellung reproduzierbarer Strukturen und Texturen unter Verwendung von 172 nm Excimer-UV-Systemen bestehend aus einem Quarzstrahler höchster Quarzqualität mit einer mit hochfrequenter Hochspannung beaufschlagten Innenelektrode und einer äußeren Masseelektrode, in einem optional wassergekühlten Gehäuse angeordnet, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Inertisierung des Kanals zur Bestrahlung des Beschichtungsgutes verwendete Gas – vorzugsweise Stickstoff – durch die Decke des Lampengehäuses axial über dem Strahlerrohr eingespeist und bei optimalem Druckverlust im Verteilerelement so verteilt wird, dass die Vorrichtung realisiert:

– einen gleichmäßig niedrigen Sauerstoffgehalt für eine optimale homogene UV-Dosisleistung über die gesamte Bestrahlungslänge ohne wesentliche Verluste durch Absorption,

– eine gleichmäßige Lampenkühlung zur Erhöhung des UV-Emissionswirkungsgrades und zur Vermeidung des Einbrennens einer beispielsweise netzförmigen Masseelektrode,

– eine Lampenspülung gegen Strahlerverschmutzung sowie eine Reduzierung der Oxidation der Masseelektrode,

– dass bei innen wassergekühlten Excimerstrahlern die Innenkühlung und zugleich der UV-Output durch größere Strahlerdurchmesser verbessert werden und

– die Lampe in einem optimalen Frequenz- und Leistungsbereich bezüglich Wirkungsgrad und Lebensdauer der Strahlerröhre zu betreiben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesssicherheit, eine gute Produktqualität und die Reproduzierbarkeit durch das Einspeisen des Inertgases, das im Lampendeckel axial homogen über die gesamte Leuchtweite unter Verwendung poröser Sinterplatten aus Metall, Keramik oder anderen geeigneten Werkstoffen mit definiertem Druckverlust und nach entsprechender Vorverteilung zur Minimierung dieses Druckverlustes erfolgt (1), gewährleistet ist. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass ein optimaler Druckverlust am porösen Gasverteilerelement an den für die Inertisierung und Kühlung gewünschten Inertgasbedarf angepasst und dadurch einzustellen ist, dass eine durch eben diesen Differenzdruck direkt oder indirekt automatisch gesteuerte Blende die Wirkfläche des porösen Gasverteilerelementes entsprechend vergrößert oder verkleinert. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Doppellampen- oder Multiröhrenarrayausführung zwecks Lampenkühlung über jeder Strahlerröhre mindestens eine Inertgaseinspeisung angeordnet ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über der unteren Austrittsöffnung der UV-Strahlung aus der Lampe ein Netz mit einer Maschenweite zwischen 0,5 und 4 mm, die keine gravierende Schwächung der Intensität des 172 nm Photonenstromes bedingt, angeordnet ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für Bestrahlungsbreiten größer als die maximale Herstellungslänge einer Strahlerröhre zwei oder mehrere in der Regel gleichlange Strahlerröhren axial gekoppelt sind. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhrenkopplung reversibel durch ein in die Koppelenden des Innenrohres der beiden Strahlerröhren eingebrachtes kurzes Metallrohrstück realisiert ist, wobei sich auf dem Metallrohrstück UV-beständige elastische Dichtelemente befinden, dieses Koppelstück mit als Innenelektrode wirkt, indem es mit einer Innenelektrode elektrisch leitend verbunden ist und die Koppelstelle durch elektrisch nichtleitende Lagerelemente ohne Beeinträchtigung der direkten UV-Emission im Lampengehäuse abgestützt ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Strahlerkopplung die durch den jeweiligen Abstand zwischen den Innen- und Außenelektrodenhälften verursachte UV-Dosissenke durch Verlängerung der Verweilzeit der zu härtenden Farb- oder Lackschicht im Koppelbereich auszugleichen ist. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensation der UV-Dosissenke durch den Einsatz von Blenden realisiert wird. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Röhrenkopplung irreversibel ist, wodurch durchgehende Innen- und Außenelektroden verwendet werden können und damit eine Dosisleistungssenke an der Koppelstelle vermieden wird. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die irreversible Kopplung eine verklebte Steckverbindung ist. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die irreversible Kopplung eine verschweißte Steckverbindung ist. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem „Koppelstrahler" gemäß Anspruch 6 bis 10 die Einspeisung der elektrischen Leistung über beide Lampenköpfe erfolgt. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass möglichst ein für eine gute Innenkühlung der Lampe, insbesondere bei einem „Koppelstrahler", größerer Röhrendurchmesser gewählt wird, wodurch sowohl durch die bessere Kühlung als auch durch das größere Volumen des Excimergases gleichzeitig ein höherer UV-Output erzielt wird. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Strahler bei Verwendung eines im Innenrohr für höheren elektrischen Leistungseintrag wassergekühlten Doppelmantel-Excimerstrahlers vorzugsweise mit einer optimalen Anregungsfrequenz von 300 bis 450 kHz betrieben werden. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Strahler bei Verwendung eines im Innenrohr für höheren elektrischen Leistungseintrag wassergekühlten Doppelmantel-Excimerstrahlers zum Erzielen eines stabilen Betriebes mit homogener Emission über die gesamte Lampenlänge sowie eines hohen Wirkungsgrades und zur Maximierung der Strahlerlebensdauer mit einer optimalen Scheitelspannung der hochfrequenten sinusförmigen Wechselspannung im Bereich 2.5 kV < US < 4.0 kV betrieben wird.






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