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23 janvier 2014 | Oberflächen POLYSURFACES 05/2013 | Traitement thermique
Die Zukunft der Elektronenstrahlhärtung
David Helsby
Cet article décrit les possibilités et les avantages du procédé EBC (Electron Beam Curing). Il se distingue, entre autre, par sa faible consommation d’énergie. De plus, les surfaces traitées ont une haute résistance aux rayures ou aux produits chimiques et une conservation des couleurs.
Die ersten Experimente mit Elektronenstrahlen reichen zurück bis in die 1920er Jahre in den USA. Doch die ersten Versuche, Lacke mit Elektronenstrahlhärtung (ESH) zu trocknen, wurden erst im Jahre 1960 durchgeführt. Das Funktionsprinzip der ESH besteht darin, dass ein Elektronenbündel in einer Beschichtung eine Vernetzung induziert, die mit einer radikalisierten Polymerisation verbunden ist, wie sie aus der organischen Chemie bekannt ist. Diese Vernetzung ist nur möglich, wenn der Lack Doppelbindungen, beispielsweise in Form von Äthylen-, Propylen-, Vinyl- oder Acrylgruppen, enthält. Die letzteren werden aufgrund der Kombination mehrerer vorteilhafter Eigenschaften bevorzugt.
Elektronenbeschleunigung im elektrischen Feld
Die Elektronen werden erzeugt, indem ein elektrischer Strom durch einen Wolframdraht geleitet und dann im Vakuum in einem elektrischen Feld beschleunigt wird. Die Elektronen verlassen den Beschleuniger durch ein Fenster aus Titanfolie, das für sie durchlässig ist. Dieses Verfahren bietet sich hauptsächlich für flache Produkte an, obwohl das Elektronenspektrum auch geeignet ist, um eine gewisse Profilhöhe zu härten.
Nun wird das mit Lack oder Tinte beschichtete Produkt unter dem Titanfenster hindurch geführt, so dass der Elektronenstrahl die Schicht härten kann. Dazu wird eine Schutzgasatmosphäre benötigt, da der vorhandene Sauerstoff zu einer Reihe von unerwünschten reaktiven Bindungen in der Beschichtung führen würde. Für gewöhnlich kommt reiner Stickstoff (mind. 99,98%) mit einem Sauerstoffanteil von weniger als 200 ppm zum Einsatz.
Dosierung und Energiedichte
Die Elektronenstrahlhärtung ist vor allem von der Dosis und der Energiedichte der Elektronen abhängig. Die Dosis bezeichnet die Menge an Elektronen, die auf die Beschichtung auftreffen. Sie wird von der Temperatur des Wolframdrahts beziehungsweise der Stromstärke und/oder der Spannung bestimmt. Sie definiert die Geschwindigkeit oder den Grad der Vernetzung, der sich in Verbindung mit einer bestimmten Vorschubgeschwindigkeit erreichen lässt.
Das angelegte elektrische Hochspannungsfeld gibt die Energie der Elektronen und daher vor, wie tief diese in die zu härtende Beschichtung eindringen. Im Allgemeinen wird bei Lacken und Tinten eine Spannung von 70 bis 300 kV angewendet. Damit wird eine Eindringtiefe von etwa 15 bis 500 µm erreicht, obwohl dieser Wert natürlich auch von der Dichte des Beschichtungsmaterials abhängig ist. Hier kommt es darauf an, diese Parameter genau aufeinander abzustimmen. Denn eine zu niedrigere Spannung härtet nicht bis in die vorgesehene Tiefe, während bei einer zu hohen Spannung das Trägermaterial unnötig beeinflusst werden könnte. Neben dem unnötigen Energieverbrauch kann auch eine Verfärbung die Folge sein.
Geringer Energieverbrauch und keine Abfallprodukte
Im Vergleich zu Pulver- und Nasslacken bietet die Elektronenstrahlhärtung zahlreiche Vorteile. Vor allem kommen keine organischen oder sonstigen Lösungsmittel zum Einsatz, so dass dieses Verfahren umweltfreundlich ist, da es zudem kein Kohlendioxid an die Atmosphäre abgibt. Um die Materialien für Beschichtungsprozesse verwenden zu können, werden lediglich niedermolekulare Polyethylenglucole (PEG), Propylenglycolacryle (PGA) oder andere multifunktionale Verbindungen als «Lösungsmittel» hinzu gesetzt.
Ein weiterer Vorteil ist der geringe Energieverbrauch. Wenn man nun noch die Kühlung und andere Prozesse in die Berechnung mit einbezieht, wird der Vorsprung der Elektronenstrahlhärtung noch deutlicher. Auch die CO2-Emissionen sind um ein Vielfaches geringer.
Zudem laufen die Vernetzungsreaktionen bei der Elektronenstrahlhärtung schnell und vollständig ab. Eine hohe Kratzfestigkeit, Chemikalien- und Farbbeständigkeit sind weitere Vorteile.
ESH-Umstieg und Anfangskosten
Die hohen Anfangskosten stellen eine wesentliche Hürde für den Umstieg auf die Elektronenstrahlhärtung dar. Diese sind durch die benötigte Vakuumkammer, die Hochspannungsversorgung sowie die Schutzgasatmosphäre begründet. Aufgrund der beispiellos vorteilhaften Eigenschaften der resultierenden Beschichtung und der Umweltfreundlichkeit werden solche Fragestellungen, wie der Energieverbrauch und das Vermeiden von Abwasser und Abgasen, in Zukunft jedoch eine immer grössere Rolle spielen.
Heute ist das Verfahren einsatzbereit und RadTech Europe sieht es als eine seiner vordringlichsten Aufgaben an, die Industrie über die Qualität und den Wert der Elektronenstrahlhärtung zu informieren. Eine wichtige Plattform, um dieses Ziel zu erreichen, ist die alle zwei Jahre ausgerichtete Konferenz und Ausstellung.

In Kürze
Die «RadTech Europe» (RTE) wurde 1988 in Basel gegründet und hat ihren Hauptsitz in Den-Haag (NL). Es ist dies der europäische Industrieverband, der die Entwicklung, den Einsatz und die Vorteile der UV-ES-Härtung für Tinten, Beschichtungen und Klebstoffe fördert. Er deckt ein breites Spektrum von Industriesegmenten wie Beschichtungen, Druck und Verpackung, Elektronik und zahlreiche neue Anwendungen ab. Die Mitglieder erhalten Zugang zu einer gemeinsamen Plattform für die Wissensvermittlung auf Weiterbildungs- und Networking-Veranstaltungen und profitieren von einer effektiven Vertretung durch den Verband in öffentlichen Initiativen.
www.radtech-europe.com.
David Helsby
Präsident von RadTech Europe
Weitere Informationen:
duomedia
Lut Verschueren
Tel. +32 474 04 49 40
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RadTech Europe
Elke Verbaarschot
Tel. +31 703123920
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