DE4336748C3 - Verfahren zur Blitztrocknung und Blitzhärtung, Verwendung des Verfahrens und dafür geeignete Vorrichtungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trocknen und Härten von Lacken, Klebstoffen und anderen strahlungshärtbaren Produkten sowie die zu dessen Ausführung geeigneten strahlungshärtbaren Produkte und Strahlungsquellen.

Strahlungshärtbare Lacke, Druckfarben und Klebstoffe sind seit geraumer Zeit bekannt. Neben der IR-Här­ tung hat insbesondere die Härtung mit UV-Strahlung praktische Bedeutung erlangt. Neben der relativ kurzen Härte- bzw. Trocknungszeit ist besonders vorteilhaft, daß für die UV-Härtung sogenannte lösungsmittelarme bzw. lösungsmittelfreie Lacke und andere UV-härtbare Produkte Verwendung finden.

Als Strahlungsquellen für die UV-Trocknung bzw. -Härtung haben sich wassergekühlte UV-Lampen wie Quecksilberdampf-Hochdrucklampen eingeführt. Ein wesentlicher Nachteil ist die relativ hohe Wärmestrah­ lung. Diese führt zur unerwünschten Filmbildung an der Oberfläche der zu härtenden Schicht und oftmals zu einer nachteiligen Wärmebelastung des mit der Schicht versehenen Gegenstandes. Anstelle üblicher UV-Lam­ pen mit im Inneren angebrachten Elektroden wurden auch bereits UV-Strahler vorgeschlagen, bei denen die Energie für die Bildung und Aufrechterhaltung des Plasmas mittels Mikrowellen-Strahlung in die innenelektro­ denfreie Entladungsröhre eingespeist wird.

Obgleich die Trocknungs- bzw. Härtezeiten bei diesen Verfahren gegenüber jenen bei Wärmehärtung we­ sentlich verringert sind und größenordnungsmäßig Minuten betragen, besteht in der Praxis oftmals der Wunsch nach wesentlich schnellerer Trocknung bzw. Härtung.

Es wurde auch bereits vorgeschlagen, die Härtezeiten dadurch zu verkürzen, daß zur Härtung sehr kurzwelli­ ge UV-Strahlung von unter 200 nm Wellenlänge, vorzugsweise in Form von kurzzeitigen Energieimpulsen, verwendet wird.

Als geeignete Strahlungsquellen wurden insbesondere UV-Excimerstrahler, beispielsweise zur Trocknung von bedruckten Bogen in einer Offset-Druckmaschine, vorgeschlagen. Derartige Strahlungsquellen sind nicht nur sehr aufwendig, sondern auch wenig geeignet zum Einsatz unter normalen Fabrikationsbedingungen.

Ein weiterer Nachteil der bislang bekannten Verfahren zur Strahlungstrocknung bzw. Strahlungshärtung besteht darin, daß der apparative Aufwand beträchtlich ist und sich grundsätzlich nicht zum transportablen Einsatz eignet. Um eine gleichmäßige Trocknung und Härtung mit UV-Röhren bzw. -Lampen zu erzielen, ist es erforderlich, dafür zu sorgen, daß die mit der strahlungshärtbaren Abmischung beschichteten Flächen in annä­ hernd gleichem Abstand von dem bzw. den Strahler(n) angeordnet sind.

Als Photoinitiatoren zur Verwendung in Druckfarben, Lacken und Anstrichfarben für Papier, Holz, Metall oder Kunststoffen, die mittels UV-Lampen, vorzugsweise im Durchlaufverfahren, getrocknet bzw. ausgehärtet werden können, wurde bereits eine Vielzahl von Radikalinitiatoren vorgeschlagen, wie beispielsweise Carbox­ yphosphanoxide, Benzoether, Thioxanthone und Benzophenone.

Um den die Strahlungshärtung behindernden Einfluß von Sauerstoff auszuschließen, bedarf es nach dem bisherigen Stand der Technik besonderer Maßnahmen wie Strahlungseinwirkung unter Luftausschluß oder Zusätze zu den zu härtenden Abmischungen, die einen Schutzfilm auf der Oberfläche bilden, der später entfernt werden muß.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Verfahren zur Strahlungshärtung ist, daß diese dazu neigen, ein Vergil­ ben der Lackschicht bzw. der Kunststoffunterlagen zu bewirken. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die obenangeführten Nachteile zu vermeiden und mit möglichst geringem Aufwand die Strahlungstrocknung bzw. Strahlungshärtung hierfür geeigneter, strahlungshärtbarer Produkte in verläßlicher und wirtschaftlicher Weise zu erzielen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Verfahrensanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Verfahrens sowie dafür geeignete strahlungshärtbare Abmischungen und Vorrich­ tungen ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.

Überraschenderweise werden alle Nachteile der bisherigen Verfahren zur Strahlungstrocknung bzw. Strah­ lungshärtung durch die erfindungsgemäße Kombination einer Blitzlicht-Strahlungsquelle, deren erfindungswe­ sentliche Strahlung im UV-B, UV-A und visuellen Bereich liegt und praktisch frei von Strahlung im UV-C Bereich ist, mit einer strahlungshärtbaren Abmischung, die eine Mehrzahl von Photoinitiatoren enthält, die in Kombination den Bereich von UV-B bis in den sichtbaren Bereich, vorzugsweise bis etwa 500 nm überdecken, vermieden.

Nach der bevorzugten Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung wird die Härtung mittels einer Mehr­ zahl von aufeinander folgenden Blitzentladungen bewirkt.

Um entsprechend kurze Trocknungs- bzw. Härtungszeiten zu erzielen, werden nach der beanspruchten Erfindung vorzugsweise Blitzstrahlungsquellen benutzt, die an der zu trocknenden bzw. härtenden Oberfläche eine Beleuchtungsstärke von mindestens 10 Megalux bewirken und vorteilhafterweise 80 Megalux nicht über­ steigen.

Nach einer vorzugsweisen Ausführung des Verfahrens wird die Spektralverteilung der Blitzstrahlung und der Sensitivitätsbereich der Photoinitiatoren mittels der Auswahl der Photoinitiatoren und Steuerung der Blitzentla­ dungs-Stromdichte und -Dauer aufeinander abgestimmt.

Überraschenderweise kann das erfindungsgemäße Verfahren ohne Nachteil unter normalen atmosphärischen Bedingungen durchgeführt werden. Ohne an diese Ausführungen gebunden zu sein, wird angenommen, daß die hohe wirksame Blitzlichtenergie und kurze Einwirkungszeit zu einer derart schnell verlaufenden Trocknung bzw. Härtung führt, daß es zu keiner schädlichen Einwirkung von Sauerstoff aus der Luft kommt.

Weiterhin führt das Verfahren nach der Erfindung zu keiner oder zu vernachlässigbarer Vergilbung der zu härtenden Schicht bzw. der diese tragenden Kunststoffunterlage.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird eine Mehrzahl von Blitzentladungsröhren als Strahlungsquelle benutzt.

Überraschenderweise kann durch die Auswahl von Menge und Art der Photoinitiatoren bewirkt werden, daß die Härtung (Polymerisation) entweder, von der Oberfläche beginnend, mit weiteren Blitzentladungen fort­ schreitend zur Gesamthärtung führt oder in umgekehrter Richtung verläuft.

Beispiel 1 Zusammensetzung einer erfindungsgemäß von unten nach oben härtenden Abmischung, beispielsweise für Flüssigspachtel bzw. Dickschichten

37.7% Polyetheracrylat
40.0% Aliphatisches Urethanacrylat
10.0% Tripropylenglykoldiacrylat
10.0% Ethoxyliertes Trimethylolpropantriacrylat
0.4% Alkylbenzophenon
1.0% p-Phenylbenzophenon
0.5% Phenylhydroxyalkanon
0.4% Netzmittel

Beispiel 2 Zusammensetzung einer erfindungsgemäß von oben nach unten härtenden Abmischung, beispielsweise für das Lackieren von Bleistiftkuppen

57.4% Polyesteracrylat
8.0% Ethoxyliertes Trimethylolpropantriacrylat
32.8% Polyetheracrylat
0.8% Alkylphosphinoxyd
0.5% Benzophenon

Beispiel 3 Zusammensetzung einer für das Verfahren nach der Erfindung geeigneten Abmischung zur Härtung von pigmentierten Systemen

12.0% Polyesteracrylat
16.0% Ethoxyliertes Trimethylolpropantriacrylat
19.7% Tripropylenglykoldiacrylat
30.0% Polyetheracrylat
0.5% aromatische Ketone
0.8% Alkylphosphinoxyd
0.5% p-Phenylbenzophenon
0.5% Phenylhydroxyalkanon
20.0% Pigmente und Füllstoffe

Beispiel 4 Zusammensetzung einer für das Verfahren nach der Erfindung geeigneten, wasserverdünnbaren Abmischung

25.0% Polyesteracrylat
68.8% Wasser
1.5% Verdickungsmittel
0.2% Netzmittel
1.0% Phenylhydroxyalkanon
0.5% Kombination von Alkylketonen
3.0% Mattierungsmittel

Beispiel 5 Vorteilhafte^a) Photoinitiatoren,^b) Harze und Reaktiv-Verdünner für erfindungsgemäße Abmischungen

• a) 
  aromatische Ketone: 0.3-0.5%
  Alkylphosphinoxyd 0.4-0.8%
  p-Phenylbenzophenon 0.4-0.6%
  Phenylhydroxyalkanon 0.8-1.2%
• b) 
  Polyesteracrylat: 10-15%
  Urethanacrylat 10-15%
  Polyetheracrylat: 35-45%
  Oligoetheracrylat: 35-40%

Soll beispielsweise Hirnholz in der bislang üblichen Weise mit einer UV-härtbaren Lackschicht versehen werden, so erfordert dessen starke Kapillarwirkung, eine Isolierung zwischen Hirnholzoberfläche und Lackauf­ trag vorzusehen. Durch die Kombination der Photoinitiatoren, wie beispielsweise im Beispiel 1, wird eine Polymerisation mit der ersten Blitzbestrahlung von unten her angeregt, so daß eine Aushärtung selbst in den Kapillaren erzielt wird. Nachfolgende Blitze bewirken die Aushärtung der gesamten Schicht.

Bei pigmentierten Abmischungen ist es gleichfalls erforderlich, den Härtevorgang von unten nach oben zu steuern, da anders ein Durchdringen dar Blitzstrahlung durch eine oberflächlich gehärtete, pigmentierte Schicht nicht gewährleistet bzw. ausgeschlossen ist.

Dickschichten gleichmäßig zu mattieren war bisher nur durch Zusatz eines großen Anteils und Mattierungs­ mittel zu erzielen. Ein solcher Zusatz führt jedoch zur unerwünschten Erhöhung der Viskosität und unter Umständen zur Versprödung der Lackschicht. Die Steuerung des Härtevorgangs von unten nach oben gestattet es mit wesentlich geringeren Mengen an Mattierungsmittel auszukommen.

Die Kombination der Photoinitiatoren zur Härtung von oben nach unten, beispielsweise nach Beispiel 2, eignet sich für extrem dicke, zu trocknende und zu härtende Schichten. Die Oberfläche wird bereits durch die erste Blitzstrahlung gehärtet. Die darunter liegenden Bereiche der Schicht werden durch nachfolgende Blitze progressiv ausgehärtet. Die Anzahl der erforderlichen Blitzbestrahlungen ist eine Funktion der Schichtdicke. Anwendungsgebiete sind beispielsweise die Härtung von transparenten Flüssigspachteln bzw. die Hochglanzbe­ schichtung von Holzwerkstoffen.

Das Verfahren nach der Erfindung eignet sich insbesondere auch zum Aufbringen von Lack- bzw. Schutz­ schichten auf optischen Oberflächen, einschließlich solchen von Brillengläsern, Linsen, Spiegeln und Visieren aus Kunststoffen.

Beispiel 6

Die folgende Abmischung eignet sich zum Aufbringen von wasserabstoßenden kratzfesten, säure-, laugen- und wasserdampfbeständigen Schutzschichten für optische Artikel aus Kunststoffen:

30-40 Teile multifunktionelles Melaminacrylat
70-60 Teile trifunktioneller Reaktivverdünner
0.5-1.5 Teile p-Phenylbenzophenon
1.5-3 Teile Methylmethylthiophenylmorpholinopropanon
0.1-0.5 Teile Polyethermodifizierte Dimethylpolysiloxan Copolymere.

Bei erfindungsgemäßer Auswahl der Photoinitiatoren und Härten mittels Blitzlicht-Strahlungsquelle genügt eine Strahlungseinwirkung von Millisekunden Dauer, so daß ein Vergilben vermieden wird. Die gehärtete Schutzschicht zeigt auch bei nachträglicher UV-Einwirkung durch z. B. Sonnenlicht hohe Resistenz gegen Vergilben.

Da bei der Aushärtung mit Blitzlicht-Strahlung praktisch keine Erwärmung erfolgt, wird die Gefahr einer Verformung des bestrahlten Gegenstandes vollständig vermieden.

Die relativ hohe Strahlungsenergie gestattet das Anbringen der Strahlungsquelle in einer Entfernung von der auszuhärtenden Oberfläche, die genügt, um auch bei Formteilen eine ausreichend gleichmäßige Bestrahlung sicherzustellen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch einen außerordentlich hohem Wirkungsgrad der Strah­ lungstrocknung bzw. Strahlungshärtung aus. Damit ist es möglich, mit relativ kompakten Blitzlichteinrichtun­ gen auszukommen. Bevorzugt werden Elektronen-Blitzgeräte mit einer Leistung von 1 bis 10 kJoule pro Blitzröhre benutzt. Derartige Einrichtungen sind nicht nur in der Regel wirtschaftlicher im Bezug auf den Energieverbrauch, sondern gestatten es, sie in leicht transportabler Form auszubilden. Damit wird es auch möglich, die Blitztrocknung bzw. Blitzhärtung am Einsatzort von Lackierarbeiten, beispielsweise zur schnellen Härtung von Türen, Einrichtungs- und anderen lackierten Gegenständen an Ort und Stelle, in Bauwerken, Werkstätten und Privathäusern auszuführen.

Das Verfahren eignet sich grundsätzlich zur Strahlungstrocknung und Strahlungshärtung eines weiten Spek­ trums von Abmischungen wie Lacken, Klebschichten, Farben, Maskenschichten und dergleichen.

Claims (9)

1. Verfahren zum Trocknen und Härten von durch Strahlungseinwirkung härtbaren Abmischungen aus der Gruppe der Lacke, Farben, Klebstoff- und Kunststoffschichten mittels einer oder mehrerer Elektronen­ blitzlicht-Strahlungsquelle(n), dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (n) eine oder mehrere Hochenergie-Elektronenblitzlicht-Strahlungsquelle(n) ist bzw. sind; daß die Emission der Strahlungsquel­ le(n) im UV-C Bereich (280 nm und darunter) vernachlässigbar gering ist; daß die Emission der Strahlungs­ quelle(n) und der Sensitivitätsbereich der Photoinitiatoren-Kombination aneinander angepaßt sind; daß die elektrische Leistung pro Blitzentladung 1 bis 10 kJoule beträgt und dadurch, daß die strahlungshärtbaren Abmischungen eine Mehrzahl von Photoinitiatoren enthalten, die, in Kombination, einen Absorptionsbe­ reich ergeben, der von UV-B bis in den an UV-A angrenzenden sichtbaren Bereich unterhalb 500 nm reicht; daß die in den Abmischungen vorhandenen Photoinitiatoren und deren Konzentration derart gewählt wird, daß damit, je nach Wahl dieser Parameter, bei Härtung mittels aufeinander folgender Blitzentladungen, die Richtung der Härtung von der Oberfläche der Abmischungen nach unten bzw. umgekehrt, bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsstärke an der Oberfläche der zu trocknenden bzw. zu härtenden Abmischung mindestens 10 Mega-lux pro Blitzentladung beträgt und 80 Mega-lux nicht übersteigt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmischung mindestens zwei Photoinitia­ toren aus einer Reihe bestehend aus Alkylphosphinoxiden, aromatischen Ketonen, Alkylketonen, Methyl­ methylthiophenylmorpholinopropanon und Benzophenon enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmischung

• a) für die Härtung von unten nach oben
  Aromatische Ketone: 0.5%
  Alkylphosphinoxyd: 0.8%
  p-Phenylbenzophenon: 0.5%
  Phenylhydroxyalkanon: 0.5%
• b) für die Härtung von oben nach unten
  Alkylphosphinoxyd: 0.4%
  p-Phenylbenzophenon: 1.0%
  Phenylhydroxyalkanon: 0.5%

enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 1 zum Trocknen bzw. Härten einer strahlungshärtbaren Abmischung auf einem optischen Gegenstand aus Kunststoff aus der Reihe von Brillen­ gläsern, Linsen, Spiegeln und Visieren, die im gehärteten Zustand eine kratzfeste, wasser­ abstoßende, säure- und laugenbeständige Schicht bildet.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Emission im Bereich von UV-B bis 500 nm durch Steuerung der Blitzentladungs- Stromdichte und der Blitzdauer optimiert wird.

7. Vorrichtung zum Trocknen und Härten von durch Strahlungseinwirkung härtbaren Abmischungen aus der Gruppe der Lacke, Farben, Klebstoff und Kunststoffschichten, da­ durch gekennzeichnet, daß diese eine Hochenergie-Elektronenblitz-Vorrichtung ist, die eine oder mehrere Blitzlicht-Strahlungsquelle(n) enthält, deren Emissions-Spektrum dem Absorptionsspektrum der Abmischung bzw. dem der in dieser enthaltenen Photoinitiatoren angepaßt ist und um UV-C Bereich (280 nm und darunter) vernachlässigbar gering ist; und daß die elektrische Leistung pro Blitzentladung und Blitzröhre 1 bis 10 kJoule beträgt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Oberfläche der Abmischung bewirkte Beleuchtungsstärke 10 bis 80 Mega-lux pro Blitzentladung be­ trägt.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß diese eine in sich geschlossene, transportable Einheit bildet, die den Einsatz zum Trocknen bzw. Härten an beliebigen Orten gestattet.