Edelgas-Halogen-Excimerstrahler mit Emissionswellenlängen von z.B. 207, 222, 253, 282 und 308 nm können für die UV-Vernetzung von strahlenhärtenden Lacken, Druckfarben und Klebstoffe eingesetzt werden, die Acrylate als Oligomere und Monomere enthalten.

Voraussetzung für eine effiziente UV-Vernetzung ist, dass diese Strahler Bestrahlungsstärken > 50 mW/cm ² erreichen, geeignete Photoinitiatoren zur Initiierung der UV-Vernetzung eingesetzt werden und die Bestrahlung unter einer inerten Atmosphäre bei Sauerstoffkonzentrationen von < 500 ppm erfolgt.

Vernetzungsgrad und -geschwindigkeiten entsprechen dann Werten wie bei Bestrahlung mit Mitteldruck-Quecksilberlampen.

Photonen mit Wellenlängen von 207 bzw. 222 nm werden in Acrylaten direkt unter Anregung von Elektronen der Acrylat-Doppelbindung absorbiert.

Hier wird die Eindringtiefe der Photonen mit 1,5 bzw.2,5 pm angegeben.

Als Folge der dadurch entstehenden hohen Radikalkonzentration in einer oberflächennahen Schicht wird ein hoher Vernetzungsgrad an der Oberfläche erreicht.

Durch die geeignete Auswahl von Photoinitiatoren kann man jedoch den Effekt der bevorzugten Oberflächenvernetzung auch für alle anderen oben genannten Edelgas- Halogen- Excimerstrahler erzeugen.

Die geometrische Grundform beider Lampentypen, nämlich Quecksilber- Mitteldruckstrahler oder Excimerstrahler, ist ein Quarzrohr-Zylinder mit einem Außendurchmesser zwischen 9 und 40 mm und Längen bis zu mehreren Metern. Im abgeschlossenen Zylinder findet die elektrisch erregte Entladung statt, die die für den chemischen Vernetzungsprozess erforderliche UV-Strahlung erzeugt. In EP 0 254 111 Bl und in B. Eliasson, U. Kogelschatz: Appl. Phys. B 46, p. 299 (1988) wird ein Excimerstrahler beschrieben.

In einer dielektrischen Barriereentladung, die im Edelgas-Halogen-Gemisch durch Anlegen einer sinusförmigen Wechselspannung mit typischen Frequenzen von 10 kHz bis 1 MHz und Amplituden bis 20 000 V oder entsprechenden hochfrequenten Hochspannungsimpulsen erzeugt wird, werden durch Elektronenstoß angeregte Edelgasatome und Ionen gebildet, die über kurzlebige Edelgas-Kationen und Halogen-Anionen zu angeregten Edelgas-Halogen- Excimeren wie KrBr* (207 nm), KrCI* (222 nm), XeJ*(253 nm), XeBr*(282 nm) oder XeCI*(308 nm) rekombinieren. Die Lebensdauer der angeregten Excimere beträgt wenige 100 Nanosekunden. Sie geben beim Zerfall ihre Anregungsenergie als Strahlung ab und zerfallen danach im Grundzustand in ihre Atome. Die Emissions-Wellenlängen sind für einige technisch nutzbare Excimere im Text oben in Klammern angegeben.

Eine typische Ausführungsform eines Excimerstrahlers ist in DE 41 40 497 C2 angegeben.

In einem äußeren Quarzrohr mit einem Außendurchmesser von 30 bis 40 mm und Wandstärken von 0,5 - 1,5 mm ist ein inneres Rohr koaxial angeordnet. Äußeres und inneres Rohr sind an ihren Enden miteinander verbunden und verschmolzen. So entsteht ein geschlossener zylindrischer Hohlraum als Entladungsraum, der mit einem geeigneten Edelgas-Halogen Gemisch gefüllt wird.

Dieser Entladungsraum befindet sich zwischen einer inneren und einer äußeren Elektrode, die als Metallwendel oder -netz ausgeführt werden kann.

Die Elektroden sind mit den beiden Polen eines Wechselspannungs- oder Impulsgenerators verbunden. Zur Ausbildung der Entladung werden je nach Gasfüllung einstellbare Spannungsamplituden zwischen 1000 und 20 000 Volt bei Frequenzen bis 1000 kHz benötigt.

Vorteilhaft ist bei dieser Lösung, dass der Entladungsraum von außen mit Wasser gekühlt werden kann. Im Gegensatz zu Quecksilber-Mitteldruckstrahlern wird die Gasentladung dadurch nicht beeinträchtigt. Aufgrund der anliegenden Hochspannung wird zur Kühlung deionisiertes Wasser verwendet, das im Kreislauf durch den Kanal der Innenelektrode über die Außenelektrode geführt wird. Die Außenelektrode ist von einem zylindrischen Hüllrohr umgeben, durch das das Kühlwasser abfließt.

Die Oberflächentemperatur des Hüllrohrs entspricht dann der Kühlwasser- Temperatur. Im Vergleich zum Quecksilber-Mitteldruckstrahler haben Edelgas- Halogen-Excimerstrahler folgende Vorteile: geringer Wärmeeintrag in das Substrat durch Wasserkühlung der inneren und äußeren Oberfläche des Entladungsrohrs hohe Energieeffizienz und Lebensdauer durch Wegfall von Innenelektroden keine Aufwärmzeit, Ein- und Ausschaltzeit im Millisekundenbereich kein mechanischer Shutter zum An- und Abschalten der Strahlung erforderlich keine Verwendung von Quecksilber.

Es ist ebenfalls bekannt, dass eine Inhibierung der Vernetzung durch Sauerstoff dadurch auszuschließen ist, dass der Bestrahlungsraum, in dem die Vernetzung stattfindet, mit Stickstoff gespült wird. Eine geeignete Vorrichtung zur Stickstoff- Spülung der Bestrahlungszone wird in EP 2 786 807 Bl vorgeschlagen. Dort werden Düsen beschrieben, die mit perforierten oder porösen Verteilerelementen ausgerüstet sind

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die als technisch einsetzbares Bestrahlungsgerät mit Excimerstrahlern als UV-Quelle vorzugsweise für die Vernetzung von acrylatbasierenden strahlenhärtbaren Druckfarben, Lacken und Klebstoffen verwendet werden kann.

Das erfindungsgemäße Bestrahlungsgerät ist für Hochspannungen bis 20 000 V geeignet, weist einen Kühlkreislauf mit deionisiertem Wasser bei Durchflussraten von 1 bis 10 l/min auf und erzeugt mittels Reflektoren einen auf die Bestrahlungsebene gerichteten Photonenstrom und realisiert die Inertisierung des Bestrahlungsraums 14 mit Stickstoff bei Durchflussraten von 1 bis 100 Das erfindungsgemäße Bestrahlungsgerät soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der Abbildungen 1 und 2 näher erläutert werden.

Dabei zeigt Abbildung 1 einen Längsschnitt und Abbildung 2 einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Bestrahlungsgerät.

Erfindungsgemäß ist der Strahlerkopf 1 als Formkörper aus vorzugsweise Teflon ausgeführt und nimmt die Innen 2- und Außenelektrode 3 des zylindrischen Strahlers auf und führt diese zu einer Hochspannungsbuchse 4 bzw. zum Masseanschluss 5.

Die Aufnahme für die Innenelektrode in der Hochspannungselektrode im Strahlerkopf 1 ist formschlüssig ausgeführt. Dadurch wird realisiert, dass sich zwischen der zylindrischen Innenelektrode 2 und dem Strahlerkopf 1 keine Luft als schädliches Dielektrikum für die Hochspannungsfestigkeit befinden kann. Ebenfalls saugend im Strahlerkopf 1 eingefügt ist eine Hochspannungsbuchse 4 für den Anschluss des Bestrahlungsgerätes an eine Hochspannungsquelle. Aufgrund der Bauform des Excimerstrahlers 13 als Quarz-Hohlzylinder wird in diesem das Kühlwasser vom inneren Kühlkanal 6 in den äußeren Kühlkanal 7 geführt, der vom Außenmantel des Strahler- Zylinders und einem zylindrischen Quarz-Hüllrohr gebildet wird. Für Zufluss 8 und Abfluss 9 des Kühlwassers sind im Strahlerkopf 1 Bohrungen vorgesehen, die zum inneren Kühlkanal 6 bzw. zum äußeren Kühlkanal 7 führen. Da die im inneren Kühlkanal 6 befindliche Innenelektrode im Betriebszustand auf Hochspannungspotential liegt, wird zur Kühlung deionisiertes Wasser mit einem elektrischen Leitwert < 10 pS verwendet.

Die Kühlkanäle 6 und 7 sind so ausgeführt, dass der Druckabfall im Kühlbereich des Excimerstrahlers < 0,5 bar beträgt. Dadurch wird die mechanische Beanspruchung des Quarz-Hohlkörpers durch Druckstöße im Kühlwasser weitgehend vermieden.

Das erfindungsgemäße Bestrahlungsgerät soll zur Strahlenvernetzung von Lacken, Druckfarben und Klebstoffen eingesetzt werden. Um die Inhibierung der Vernetzung durch Sauerstoff auszuschließen, wird der Bestrahlungsraum 14, in dem die Vernetzung stattfindet, mit Stickstoff gespült.

Im erfindungsgemäßen Bestrahlungsgerät sind Verteilerelemente 10 aus porösem Sintermetall unmittelbar oberhalb des zylindrischen Excimerstrahlers 13 angeordnet. Der Stickstoff wird in eine Kammer 11 eingespeist, die als Buffervolumen wirkt.

Von dort kann er über die längs des Excimerstrahlers 13 angeordneten porösen Verteilerelemente 10 ausfließen. Der ausfließende Stickstoff erreicht Strömungsgeschwindigkeiten von 0,4 bis 5 m/s bei Flüssen von 0,5 bis 20 Nm ³ /h. Der Druck in der Kammer 11 wird so eingestellt, dass der Stickstofffluss beim Austritt aus dem Sintermetall möglichst homogen über die Länge des Excimerstrahlers verteilt ist.

Bei ausreichend dimensioniertem Volumen der Kammer 11 und einem Stickstoff- Vordruck von > 2 bar erreicht man eine Homogenität der Ausström- Geschwindigkeit von < 10%. Der Stickstoff umströmt einen wesentlichen Teil der Oberfläche des Excimerstrahlers und spült gleichzeitig das Volumen der Bestrahlungskammer 14. Dadurch wird die Sauerstoff-Konzentration in der Bestrahlungskammer 14 auf < 500 ppm reduziert.

Auf diese Weise wird sowohl die Inertisierung des Bestrahlungsraums als auch ein Schutz der Oberfläche des Excimerstrahlers vor Verschmutzung z.B. durch die Kondensation flüchtiger organischer Bestandteile aus Lacken, Druckfarben oder Klebstoffen erreicht.

Das erfindungsgemäße Bestrahlungsgerät wird zur Vernetzung von strahlenhärtbaren Schichten eingesetzt, die im inertisierten Bestrahlungsraum die Bestrahlungszone durchlaufen.

Um die Bestrahlungsstärke in der zu vernetzenden Schicht zu erhöhen, werden Reflektoren 12 im Bestrahlungsgerät so angebracht, dass ein Teil der koaxial ausgehenden Excimerstrahlung in Richtung der zu vernetzenden Schicht fokussiert wird. Als Reflektoren 12 werden Flächen aus beschichtetem Aluminium verwendet, die im UV-Bereich eine Reflexion von > 90% aufweisen. Zwei Reflektorflächen sind an den Seiten des Gehäuses des Bestrahlungsgeräts so angeordnet, dass eine möglichst geringe Rückstrahlung auf die Oberfläche des Excimerstrahlers 13 erfolgt. Der Querschnitt der Reflektorflächen hat einen vorzugsweise parabolischen Verlauf und führt zu einer Strahlenverteilung, die eine Erhöhung der Beleuchtungsstärke in der Bestrahlungsebene um 30% ergibt.