3-2013

Beschichtungstechnik
Die Zukunft der Elektronenstrahlhärtung
Möglichkeiten und Vorteile für gehärtete Beschichtungen
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 Jahr 1960
durchgeführt. Das Funktionsprinzip
der ESH besteht darin,
dass ein Elektronenbündel in
einer Beschichtung eine Vernetzung
induziert, die mit einer
radikalischen Polymerisation
verbunden ist, wie sie aus der
organischen Chemie bekannt
ist. Diese Vernetzung ist nur
möglich, wenn der Lack Doppelbindungen,
beispielsweise in
Autor:
David Helsby, Präsident von
RadTech Europe
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 die Elektronen durchlässig
ist. Dieses Verfahren bietet
sich hauptsächlich für flache
Produkte an, obwohl das Elektronenspektrum
auch geeignet
ist, um eine gewisse Profilhöhe
zu härten.
Jetzt wird das mit Lack oder
Tinte beschichtete Produkt
unter dem Titanfenster hindurchgeführt,
so dass der Elektronenstrahl
die Schicht härten
kann. Hierzu wird eine Schutzgasatmosphäre
benötigt, da
der vorhandene Sauerstoff zu
einer Reihe von ungewünschten
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, und wird von der
Temperatur des Wolframdrahts
bzw. der Stromstärke und/oder
der Spannung bestimmt. Sie
definiert die Geschwindigkeit
bzw. den Grad der Vernetzung,
der in Verbindung mit einer
bestimmten Vorschubgeschwindigkeit
erreicht werden kann.
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 kV bis 300 kV angewendet.
Damit wird eine Eindringtiefe
von etwa 15 µm 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“
hinzugesetzt.
Ein weiterer Vorteil ist der
geringe Energieverbrauch. Wenn
man jetzt noch die Kühlung und
andere Prozesse in die Berechnung
mit einbezieht, wird der
Vorsprung der ESH noch deutlicher.
Auch die CO 2 -Emissionen
sind um ein Vielfaches geringer.
Zudem laufen die Vernetzungsreaktionen
bei der Elektronenstrahlhärtung
schnell
und vollständig ab. Eine hohe
Kratzfestigkeit, Chemikalienund
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.
Das Verfahren ist einsatzbereit
und Rad Tech 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 von RadTech
Europe, die in diesem Jahr
vom 15. – 17. Oktober in Basel,
Schweiz, stattfindet.
RadTech Europe
mail@radtech-europe.com
www.radtech-europe.com
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