Technologie

UV-Strahlungstechnik

Begriffsdefinitionen

GeräteleistungElektrische LeistungsaufnahmeWatt

UV-IntensitätBestrahlungsleistung (flächenbezogen) abhängig vom Abstand, der Reflektorgeometrie und dem Lampenalter

(m)W/cm²
UV-DosisAufsummierte Bestrahlung/Fläche über ein Zeitintervall, d.h. (Intensität x Zeit) * meist wellenlängenabhängige Angabe

(m)J/cm²
z.B. im Bereich von
365-405 nm
UV-LeistungGesamte emittierte UV-StrahlungsenergieWatt

.

Physikalische Grundlagen

UV-Strahlungstechnik

Strahlung lässt sich durch das elektromagnetische Spektrum definieren. Sehr langwellige Strahlen wie Radio- oder Mikrowellen sind energiearm. Kurzwellige Strahlen wie Röntgenstrahlen oder kosmische Strahlen sind hingegen sehr energiereich. Je energieärmer elektromagnetische Strahlung ist, desto weniger wird Materie durch sie beeinflusst. 

Mikrowellen und Infrarotstrahlen haben einen beschleunigenden Effekt auf chemische Reaktionen. Da sie Rotationen beziehungsweise Schwingungen von Molekülen anregen. Deshalb werden diese Technologien eingesetzt, um Aushärtungsreaktionen von beispielsweise klassischen Epoxidharzklebstoffen zu beschleunigen. Beziehungsweise zu starten. Weiter links von der Infrarotstrahlung kann die energiereichere UV-Strahlung Elektronenanregungen verursachen. Initiatoren, die individuelle Wellenlängen im UV/VIS-Bereich absorbieren, werden in einen energiereichen Zustand versetzt. Sie können sehr schnell chemische Reaktionen starten. Diese Technologie wird bei UV-härtenden Materialien wie Lacken, Klebstoffen, Vergussmassen oder Schutzlacken eingesetzt.

Absorption und Reaktion

Bei der Härtung von UV-Klebstoffen, Lacken oder Vergussmassen ist folgendes erforderlich: Die Aborption des Initiators im Klebstoff muß mit der emittierten Strahlung der UV-Lichtquelle möglichst genau übereinstimmen. Dies ermöglicht einen effektiven Härtungsverlauf zu erreichen. 

Strahlungsquellen

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen der konventionellen UV-Lichtquelle – basierend auf einer Gasentladungslampe – und der Quelle – basierend auf LED-(Light Emitting Diode) Technologie. Letztere wird bereits seit der Jahrtausendwende eingesetzt. Sie hat in den letzten Jahren enorme Leistungszuwächse und Verbreitung erfahren.

Die konventionellen UV-Quellen liefern das komplette UV-Spektrum. Bis weit in das sichtbare und infrarote Spektrum. So dass eine Übereinstimmung mit Photoinitiatoren einfach zu erreichen ist. Der Nachteil sind hohe Energieeinträge im nicht nutzbaren Spektrum – in Form von IR und sichtbarem Licht.
Die LED Technologie liefert im Gegensatz dazu ein sehr engbandiges – monochromatisches – Spektrum ohne nennenswerten Wärmeeintrag.

Deshalb muss der Klebstoff, Lack oder die Vergussmasse auf die LED Quelle möglichst exakt abgestimmt sein. Dadurch wird eine optimale Härtung erreicht.

 

Chemische Grundlage / Härtungsmechanismen

Reaktionsmechanismus radikalische Härtung (z.B. Acrylate)

Beim Einsatz radikalisch härtender Acrylate muss mindestens ein Substrat für UVA/UVV-Licht durchlässig sein. Der Klebstoff härtet nur aus, wenn eine Bestrahlung erfolgt. Sobald die Lichtquelle ausgeschaltet wird, stoppt die Reaktion.

Um eine vollständige Reaktion zu erhalten, muss eine ausreichende Bestrahlungszeit ermittelt werden. Der Vorteil radikalisch härtender Systeme ist die sehr schnelle Härtungsgeschwindigkeit. Und die nahezu stufenlos einstellbaren Eigenschaften – wie Viskosität, Farbe, Flexibilität, Härte und Festigkeit.

Reaktionsmechanismus kationische Härtung (z.B. Epoxid-Klebstoffe)

Es ist bekannt, dass UV-initiierte, kationisch härtende Epoxidharze in einer „lebenden Polymerisation“ reagieren. Durch UV-Licht erzeugte aktive, kationische Zentren haben eine relativ lange Lebensdauer. Diese können eine Kettenreaktion auslösen. Ohne dass neue kationische Zentren durch UV-Licht nachgeliefert werden müssen -> Dunkelreaktion. Die kationischen Zentren, auch in Konkurrenzreaktionen, werden abgefangen oder deaktiviert. Die Molekülketten bei der Polymerisation werden groß und unbeweglich. Die reaktiven Zentren können nicht mehr zu einer Weiterreaktion „wandern“. Die Dunkelreaktion verläuft zu einem gewissen Prozentsatz bei Raumtemperatur. Bei voraktivierten Systemen ist eine zusätzliche Warmhärtung nötig. Dies gewährleistet eine vollständige Performance und Härtung.

Bei der kationischen Polymerisation ist folgendes zu beachten:
Die kationischen, aktiven Zentren für die Härtung, sollen nur dort gebildet werden, wohin das UV-Licht strahlt.  Abgedeckte Zonen werden nicht aktiviert. Dort entstehen keine Kationen. Das Produkt bleibt flüssig. Mit Wärmezufuhr können unbelichtete Bereiche zur Aushärtung gebracht werden.

UV-härtende Silikone

Eine Sonderstellung innerhalb der UV-härtenden Materialien, nehmen die UV-Silikone ein. Hier werden spezielle Katalysatoren mit UV-Licht aktiviert – in der Regel Platinkatalysatoren. Danach findet die Additionsvernetzung der Silikone mit kurzwelligem Licht statt – wie bei den thermisch härtenden oder zweikomponentigen Systemen. Der Bereich der UVB-Strahlung ist besonders effektiv. Daher wird dieser bevorzugt eingesetzt.