Podstawy techniki UV

Transkrypt

S-Technika, ul. Bolesława Chrobrego 10/22, 05-200 Wołomin, tel. +48 605788115, [email protected]
Dipl.-Ing. Karl-Heinz Meyer
Promienniki i zespoły promienników
do utwardzania UV
Spis treści:
1. Wstęp ...................................................................................................................... 2
2. Skład tworzyw utwardzanych promieniami UV i mechanizm
utwardzania .................................................................................................................. 3
3. Ustawianie promieniowania UV ....................................................................... 3
4. Zapotrzebowanie na promieniowanie tworzyw utwardzanych UV ........ 3
5. Promienniki ........................................................................................................... 4
5.1. Typy promienników ...................................................................................................................................... 4
5.2. Budowa promienników / profil promiennika .............................................................................................. 4
Elektryczne dane znamionowe ............................................................................................................................. 5
Dane geomatryczne ............................................................................................................................................... 5
Dane fizyczne promieniowania ............................................................................................................................. 5
Informacje ogólne ................................................................................................................................................... 5
5.3. Sposób działania elektrycznego ................................................................................................................. 6
5.4. Rozpalanie promiennika ............................................................................................................................ 10
5.5. Bilans energetyczny i podział widma ....................................................................................................... 11
5.6. Promienniki bezozonowe .......................................................................................................................... 12
5.7. Domieszkowanie, promienniki metalo-halogenkowe ............................................................................ 14
5.8. Żywotność.................................................................................................................................................... 15
Wszystkie prawa zastrzeżone. Kopiowanie lub wykorzystywanie fragmentów danego dokumentu bez zgody autora zabronione.
S technika © 2010
1.
W stęp
Ze świadomości faktu, że Ziemia może zaoferować ludzkości tylko skończone zasoby, które częściowo w
przewidywalnym czasie zmierzają ku wyczerpaniu, a także w celu odciążenia naszego środowiska
naturalnego, we wszystkich dziedzinach przemysłu poszukuje się procesów, które wymagają możliwie jak
najmniejszej ilości energii i surowców, a przy tym nie uwalniają substancji szkodliwych dla środowiska.
Również przemysł lakierów i farb był zmuszony, z powyżej wymienionych powodów, do znalezienia
nowych sposobów w technologii pokryć, przy czym szczególny nacisk położono na rozwój systemów
pokryć utwardzanych UV (ultrafioletem), w celu zastąpienia konwencjonalnych technik z użyciem
rozpuszczalników.
Dzisiaj jeszcze zarówno w przemyśle poligraficznym, jak i przetwórstwie drewna w dużej części stosuje
się farby i lakiery zawierające rozpuszczalniki. Ilości energii cieplnej używane w procesach suszenia
są bardzo duże, a duży udział rozpuszczalników w farbach i lakierach przyczynia się do znacznego
obciążenia środowiska lub pociąga za sobą znaczne nakłady inwestycyjne, gdy ze względu na przepisy
o utrzymaniu czystości powietrza musza być stosowane instalacje spalania lub odzysku
rozpuszczalników.
W niektórych dziedzinach, jak np. druk etykiet samoprzylepnych, czy lakierowanie mebli kuchennych
utwardzane promieniami UV farby i lakiery zdążyły się już zadomowić na dobre, a w innych obszarach
utwardzanie UV zyskuje coraz bardziej na znaczeniu, nawet w tak klasycznym dziale jak druk gazet,
dzienniki regionalne są już często drukowane farbami UV.
Nowa technologia prężnie rozwija się również w dziedzinie produkcji utwardzanych promieniami UV
klejów, mas odlewniczych i półwyrobów poliestrowych.
Istotnymi zaletami technologii UV są:
•
Używane w procesie substancje nie zawierają rozpuszczalników , dzięki czemu nie pozostawiają
szkodliwych dla środowiska gazów.
•
Utwardzone substancje są odporne na działanie rozpuszczalników.
•
Szybki przebieg utwardzania gwarantuje osiąganie wysokich prędkości produkcyjnych.
•
Możliwość natychmiastowej dalszej obróbki pokrytych wyrobów.
•
Urządzenia do suszenia UV mają mniejsze rozmiary niż konwencjonalne suszarki (piece).
•
Zużycie energii jest mniejsze niż przy suszeniu cieplnym.
•
Urządzenia do utwardzania UV są gotowe do pracy już po kilku minutach.
S technika © 2010
2.
Skłąd t wor zyw ut wardzanych promieniami UV i mechanizm utwardzania
Tworzywo utwardzane promieniami UV składa się głównie z:
•
fotoinicjatorów
•
prepolimerów (wstępnie usieciowanych merów)
•
monomerów (merów stosowanych jako rozcieńczalnik ulegający reakcji)
•
pigmentów (tylko w tworzywach nieprzezroczystych)
Wskutek oddziaływania promieniowania UV z zawartych w tych tworzywach fotoinicjatorów tworzą się
wolne rodniki, które wyzwalają sieciowanie systemu i w bardzo krótkim czasie powodują jego
utwardzenie.
3.
Ustawianie pr omieniowania UV
Promieniowanie UV stanowi część widma promieniowania elektromagnetycznego, sąsiadującą
z częścią światła widzialnego o najkrótszej długości fali (fioletem).
Według DIN 5031 część 7 widmo dzieli się w następujący sposób:
bliska podczerwień
światło widzialne
UV długofalowe
UV średniofalowe
UV krotkofalowe
4.
IR-A
UV-A
UV-B
UV-C
780 – 1400
380 – 780
315 – 380
280 – 315
100 – 280
nm
nm
nm
nm
nm
brązowienie
poparzenie słoneczne
sterylizacja
Zapotr zebowanie na promieniowanie t wor zyw ut war dzanych UV
Wymienione poniżej systemy wymagają do utwardzenia w przeważającej części następujących zakresów
promieniowania:
farby
lakiery
kleje
masy odlewnicze
poliestrowe masy szpachlowe i folie
dito wzmacniane szklanym włóknem
UV-C, UV-B
UV-C, UV-A, VIS
UV-A, UV-C
UV-A, UV-C
UV-A, światło (niebieskie)
światło (niebieskie), UV-A
Tak , jak to opisano w ustępach 3 i 4, dla lamp lub zespołów promiennikowych występują różne
wymagania odnośnie:
• zakresu oddziaływującego widma,
• bezpieczeństwa pracy, np. ozon (wartość MAK) i ochrona przed promieniowaniem UV-C i UV-B.
Powyższe zagadnienia zostaną jeszcze bliżej opisane w dalszych częściach.
S technika © 2010
5. Promienniki
5.1. Typy promienników
Do utwardzania UV stosuje się różne typy promienników:
a)
b)
c)
d)
promienniki rtęciowe wysokoprężne
promienniki metalohalogenkowe
promienniki rtęciowe najwyższego ciśnienia (lampy krótkołukowe)
promienniki rtęciowe niskociśnieniowe z luminoforem UV-A
(lampy z luminoforem, blacklight blue lamps)
e) bezelektrodowe lampy wzbudzane mikrofalowo (Fusion Systems)
f) promienniki kapilarne, z bezpośrednim chłodzeniem wodą
W powszechnych zastosowaniach bezwzględnie największą część stanowią promienniki (lampy) rtęciowe
średnioprężne, którym poświęcimy tu najwięcej uwagi.
Promienniki wymienione w punktach c) , d) , e) i f) znajdują wąskie zastosowania w określonych
dziedzinach, i wspomniano tu o nich tylko dla dopełnienia obrazu całości zagadnienia.
5.2. Budowa promienników / profil promiennika
Długości łuków stosowanych w praktyce średnioprężnych promienników rtęciowych zawierają się w
granicach od 10 do 220 cm. Możliwe są także typy specjalne o krótszych lub dłuższych łukach.
Elektryczne moce właściwe promienników w większości przypadków zawierają sie w granicach pomiędzy
80 i 160 W na cm długości łuku świetlnego. W szczególnych przypadkach stosuje się również promienniki
o mocach do 250 W/cm, a nawet większych.
Na poniżej zamieszczonym arkuszu danych przedstawiono typowy promiennik standardowego
typoszeregu 100 W/cm z charakterystyczną średnicą rury lampy wynosząca 22 mm.
S technika © 2010
S-Technika,, ul. Bolesława Chrobrego 10/22, 05-200
05 200 Wołomin, tel. +48 605788115, [email protected]
Przykładowy arkusz danych lampy UV
UVH 2522-0
Numer artykułu:
artykułu 24055002
Elektryczne dane znamionowe
Znamionowa moc właściwa
Moc znamionowa
Napięcie lampy
Prąd lampy
Napięcie zapłonowe
1)
Napięcie sieciowe
Maks. prąd zwarciowy
1)
tylko przy lampach z dławikiem
W/cm
W
V
A
V
V
A
100
2500
280
10
400 + ZG
400
Dane geometryczne
Odstęp pomiędzy elektrodami (długo
długość świecenia) (wymiar EA)
Długość całkowita
(wymiar Lg)
Średnica rury
(wymiar d)
Długość licy
mm
mm
mm
mm
247
380
22,5
1000 / 1000
Dane fizyczne promieniowania
Zakres UV C
Zakres UV B
Zakres UV A
Informacje ogólne
Maks. temperatura wtopienia
Temperatura rury wyładowczej
Rodzaj gniazda
Materiał rury wyładowczej
Typowy okres użytkowania
(200-280 nm)
(280-315 nm)
(315-400 nm)
W
W
W
ok. 380
ok. 200
ok. 180
°C350
°C
w punkcie pomiarowym T
700 do 900
ceramiczne
szkło kwarcowe, wytwarzające ozon
1500 h
Okres użytkowania jest zależny
ny od konstrukcji urządzenia i sposobu pracy (cyklów
cyklów załączania
zał
wyłączania, chłodzenia, zanieczyszczania)
zanieczyszczania
Rzeczywista moc promiennika jest zależna
zale
od wybranego urządzenia
dzenia preselekcyjnego.
preselekcyjnego Poprzez zmianę
prądu promiennika można,
na, po konsultacji z dostawcą,
dostawc ustawić moc inną od podanej powyżej.
powy
Zgodne z przeznaczoną funkcją
ą działanie promiennika jest zagwarantowane tylko w specjalnych,
przystosowanych do tego urządzeniach
ądzeniach i instalacjach.
instalacjach Z tego powodu prawidłowe użycie może nastąpić
tylko przez danego producenta urządzenia.
urz
Wszystkie prawa zastrzeżone.
one. Kopiowanie lub wykorzystywanie fragmentów danego dokumentu bez zgody autora zabronione.
zabronione
S technika © 2010
Wykonania specjalne specyficzne dla potrzeb klienta, typy wolne od ozonu i domieszkowane mogą być
dostępne na zapytanie.
UWAGA: pochodzące z powyżej wyspecyfikowanego promiennika promieniowanie jest szkodliwe dla
skóry i oczu. Z tego powodu może on być eksploatowany tylko w przewidzianych do tego urządzeniach,
które zapewniają odpowiednią ochronę przed promieniowaniem.
Typowe prądy robocze wynoszą ok. 6 do 16A, napięcia zwiększają się wraz ze wzrostem długości łuku
świetlnego o ok.. 6,5 do 25 V/cm, aż do 2500 V.
Materiałem rury jarzeniowej jest kwarc.
W lampie znajdują się: rtęć, gaz szlachetny i dodatki halogenowe (chlorowcowe), które poprzez
halogenowy proces cyrkulacyjny zapobiegają zaczernianiu, przyczyniając się w ten sposób do wysokiej
żywotności lampy, a także zapobiegają problemom zaciemniania brzegów.
Promienniki na swoich końcach są pokryte warstwą odbijającą, aby w stanie nowości zapewnić szybki
rozruch i rozpalenie oraz dobrą stabilność podczas pracy.
5.3. Sposób działania elektrycznego
Promienniki posiadają następująca charakterystykę prądowo - napięciową:
Charakterystyka zasilacza
Charakterystyka promiennika
450
400
Spannung [V]
350
300
250
200
150
100
50
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Strahlerstrom [A]
Rys. 1. Charakterystyka prądowo-napięciowa
Jak widać, napięcie na łuku jest prawie niezależne od prądu roboczego. Następstwem tego przy
bezpośredniej pracy z sieci byłoby to, że lampa pobierałaby dowolną ilość prądu z sieci i albo sama
uległaby zniszczeniu, albo zniszczyła bezpiecznik.
Z tego powodu musi być podłączone szeregowo do lampy ograniczające prąd urządzenie zasilające,
którego charakterystyka przecina się z charakterystyką promiennika. Ów punkt przecięcia jest punktem
roboczym promiennika.
Urządzenie wstępne może być typu indukcyjnego, pojemnościowego lub omowego:
S technika © 2010
indukcyjne
pojemnościowe
omowe
Rys. 2. Zasady działania urządzeń wstępnych
Najbardziej rozpowszechnione jest rozwiązanie indukcyjne, gdyż występuje tu najmniej strat własnych
oraz można dokonać łatwo dopasowania do lampy.
Dla pracy w trybie stand-by dzieli się celowo urządzenie wstępne na kilka cewek dławiących.:
Rys. 3. Praca z 2 dławikami do przełączania mocy
W przedstawionym przykładzie można przy otwartym przełączniku pracować na 50% mocy, a przy
zamkniętym przełączniku na 100 %.
Dodatkowo do urządzenia zasilającego potrzeba jeszcze urządzenia zapłonowego do uruchomienia
promiennika oraz kompensacji prądu biernego, dla spełnienia wymogów dyrektywy dotyczącej urządzeń
elektrycznych:
Rys. 4. Praca z dławikiem, urządzeniem zapłonowym i kompensacją prądu biernego
S technika © 2010
Dla promienników z zapotrzebowaniem na napięcie wyższe niż 230 V wzgl. 400 V należy napięcie
sieciowe odpowiednio podwyższyć za pomocą transformatora. Zazwyczaj używa się kombinacji
transformatora i dławika:
Rys. 5. Praca z autotransformatorem / dławikiem dla promienników o średnim zapotrzebowaniu
napięciowym oraz transformatora rozproszeniowego:
Rys. 6. Praca z transformatorem rozproszeniowym dla promienników o wyższym zapotrzebowaniu
napięciowym
Obydwa warianty dostarczają napięcia wymaganego do zapłonu i pracy oraz ustawiają prąd w punkcie
roboczym. Przy mniejszych kombinacjach autotransformatora z dławikiem stosowane jest jeszcze
urządzenie zapłonowe.
Są tu również możliwe połączenia stand-by, przede wszystkim poprzez ingerencję po stronie pierwotnej,
za pomocą dławików, transduktorów lub komponentów elektronicznych zarówno do regulacji stopniowej,
jak i ciągłej:
Rys. 7. Praca z transformatorem rozproszeniowym i transduktorem do bezstopniowej regulacji mocy
Zanim jednak rozważymy tego rodzaju lub inne połączenia, należy koniecznie przeprowadzić konsultacje
ze specjalistami od lamp lub producentami, gdyż niektóre rodzaje kombinacji mogą prowadzić do
przedwczesnego zniszczenia promienników.
S technika © 2010
Zasilacze elektroniczne
Od kilku lat na rynku znajdują się również w pełni elektroniczne urządzenia zasilające, do 34 kW mocy
promiennika. Ich zaletami są np.
•
•
•
•
•
•
•
Bezstopniowe dopasowanie mocy promiennika do procesu utwardzania.
Możliwości kompensacji procesu starzenia promiennika.
Automatycznie ustawiana stała wartość mocy, niezależna od np. wahań sieciowych
Urządzenia te są mniejsze i lżejsze i mogą być umieszczane w maszynie w pobliżu promiennika
zamiast w szafie rozdzielczej, przez co zyskuje się znaczne oszczędności miejsca.
Automatyczne dopasowywanie się do różnych, stosowanych na świecie sieci.
Symetryczne obciążenie sieci.
Bardzo szybka pulsacyjność mocy, z zakresu milisekund, umożliwia dopasowanie również do
bardzo szybkich procesów o charakterze nieciągłym, a wraz z tym oszczędność energii i
mniejsze nagrzewanie maszyny.
Przykład na bazie BLP 59 S
S technika © 2010
5.4. Rozpalanie promiennika
Bezpośrednio po włączeniu promiennika rtęć jest jeszcze w stanie ciekłym i zachodzi wówczas tylko
wyładowanie w gazie szlachetnym. Napięcie lampy jest bardzo niskie (około l0 % napięcia roboczego) a
przez urządzenie wstępne płynie prąd zwarciowy. Wraz ze wzrostem temperatury następuje parowanie
rtęci i dodatków. Napięcie wzrasta, podczas gdy prąd maleje. Po ok. jednej minucie proces rozpalania
zostaje zakończony i zostają osiągnięte elektryczne wartości zadane
Moment rorpalenia promiennika
18
16
200
14
12
150
10
8
100
Ub in V
6
4
50
Ib in A
0
2
0
0
5
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
Zeit [sec]
Rys. 8. Rozpalanie promiennika
Dopiero teraz mamy do dyspozycji pełne widmo lampy do utwardzania UV!
Gdy promiennik zostaje wyłączony, nie jest od razu ponownie gotowy do pracy, gdyż wysokie ciśnienie
wewnętrzne nie pozwala na zapłon przy napięciu będą cym do dyspozycji w urządzeniu wstępnym.
Dopiero po przerwie wynoszącej kilka minut, potrzebnej na ochłodzenie promiennik może zostać
ponownie uruchomiony, po tym gdy nastąpi skroplenie rtęci i dodatków.
S technika © 2010
Strahlerstrom [A]
Strahlerspannung [V]
250
5.5. Bilans energetyczny i podział widma
Zastosowanie nowych materiałów i technilogii umożliwia następujący bilans energetyczny (wartości
przybliżone):
30 % promieniowanie UV (15 % UV-C, 8 % UV-B, 7 % UV-A)
15 % światło widzialne
55 % podczerwień (ciepło), której główna część pochodzi od łuku świetlnego, a odpowiednio mniejsze
części od rozżarzonych elektrod i rozgrzanej rury.
Promienniki emitują charakterystyczne widmo średniprężnych lamp rtęciowych o głównych liniach przy
254 nm, 313 nm, 366 nm.
Widmo średnioprężnych lamp rtęciowych
100
90
Moc względna w %
80
70
60
50
40
30
20
10
0
200
500
Długość fal w nm
Rys. 9. Widmo emisyjne rtęci
S technika © 2010
5.6. Promienniki bezozonowe
W ponad 90 % przypadków przy utwardzaniu farb i lakierów stosuje się promienniki wytwarzające ozon.
W przypadkach specjalnych używa się promienników bezozonowych. Rura takiej lampy wykonana jest ze
specjalnego materiału kwarcowego, działającego jak filtr dla krótkofalowego zakresu UV-C.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
SUPRASIL
STANDARD
OZONARM Y
OZONFREI Z
390
370
350
330
310
290
270
250
230
210
190
170
QZ 310
150
Transmisja w %
Transmisja różnych szkieł kwarcowych
Długość fali w nm
Rys. 10. Transmisja szkieł kwarcowych
Powoduje to absorpcję promieniowania wytwarzającego ozon poniżej 200 nm, tak że nie powstaje ozon.
Wraz z tym następuje jednak utrata ważnej części widma, potrzebnej do tworzyw utwardzanych UV-C,
jak farby i większość lakierów.
Porównanie widma Hg wytwarzającego ozon
i bezozonowego
100
ozonerzeugend
90
ozonfrei
Moc względna w %
80
70
60
50
40
30
20
10
0
200
500
Długość fal w nm
Rys. 11. Widmo rtęci przy stosowaniu kwarcu „wytwarzającego ozon“ i „bezozonowego“
S technika © 2010
Rezultaty utwardzania są wówczas słabe albo zgoła żadne.
Dlatego: stosowanie bezozonowych promienników tylko po konsultacji z dostawcą farb lub lakierów!
Alternatywnie można też stosować specjalny kwarc, który minimalizuje tylko promieniowanie krótkofalowe
poniżej 240nm, tzw. „kwarc ubogi w ozon“.
Moc względna w %
Widmo Hg ubogie w ozon
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
200
500
Długość fali w nm
Rys. 12. Widmo rtęci przy zastosowaniu kwarcu „ubogiego w ozon“
S technika © 2010
5.7. Domieszkowanie, promienniki metalo-halogenkowe
Poprzez domieszkowanie, t.j. umieszczenie w lampie halogenków metali dodatkowo do rtęci, można
wypełnić widmo w określonych obszarach i dopasować do widmowej krzywej oddziaływania na dane
tworzywo utwardzane promieniami UV. Promienniki metalo-halogenkowe do utwardzania występują
w dwóch wariantach:
•
Punkt ciężkości w UV-A dla klejów, mas odlewniczych i szpachli poliestrowych:
Moc względna w %
Widmo promiennika żelazowego, bezozonowego
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
200
500
Długość fal w nm
Rys. 13. Widmo żelaza przy zastosowaniu „bezogonowego” kwarcu
•
Z punktem ciężkości w niebieskim, widzialnym obszarze widma do szpachli i folii poliestrowych
wzmacnianych włóknem szklanym, gdyż włókno szklane absorbuje UV-A. Promienniki metalohalogenkowe mogą być stosowane w wersji bezozonowej, gdyż dla tego zastosowania nie jest
wymagane UV-C:
Moc względna w %
Widmo promiennika galowego
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
200
500
Długość fal w nm
Rys. 14. Widmo galu
S technika © 2010
5.8. Żywotność
Żywotność użytkowa promiennika jest definiowana poprzez spadek promieniowania w przeciągu
określonego czasu, w którym jeszcze ma miejsce wystarczające utwardzanie.
W przemyśle poligraficznym zespoły suszące UV są na ogół specyfikowane przez producentów w taki
sposób, że wystarczające suszenie jest jeszcze zapewnione przy lampach, których udział UV-C spadnie
do 75 %.
Krzywa żywotności promienników UV (Hg)
"everclear"
100
z tolerancją rozrzutu
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
400
800
1200
1600
2000
2400
2800
Intensywność względna w %
(maksymalnie 3 załączenia dziennie)
Żywotność w h
Rys. 15. Wykres dla promiennika wolno świecącego w warunkach laboratoryjnych przez 3000 h
W maszynie lub urządzeniu promiennik musi na ogół pracować w niekorzystnych warunkach. Jest on np.
zamknięty w obudowie i może być często załączany i wyłączany.
Żywotność promienników UV (Hg)
U
V
C
U
V
B
100
95
90
Intensywność w %
od stanu nowości
Zachowanie części promieniowania UV-C, -B, -A i -VIS
85
80
75
70
65
60
55
50
0
200
400
600
800
1000 1200 1400 1600 1800 2000
Żywotność w h
Rys. 16. Promienniki w warunkach praktycznych przez 2000 h.
Cykl załączania wynosi 165 min załączenia i 15 min wyłączenia
W praktyce czas żywotnośći użytkowej średnioprężnych promienników rtęciowych o mocy elektrycznej
100 W/cm wynosi około 1500 h do 3000 h, a promienników metalo-halogenkowych ok. 500 do 1000 h.
S technika © 2010

Podstawy techniki UV

Transkrypt

Podobne dokumenty

Moc grzewcza promienników – w pytaniach i

Wybór prommiennika do ogrzewania kościoła

sunrad - Promienniki

Więcej informacji - sklep dla lekarza

Karta produktu

Zasada działania promienników rurowych