Energiesparende Gas-Luft-Brenner zur Aktivierung und Funktionalisierung von Oberflächen

Neben den etablierten Niederdruckverfahren nimmt der Einsatz von Atmosphärendruckverfahren, wie z.B. die Flammenpyrolyse, stetig zu. INNOVENT entwickelt in dem Gebiet der Flammenpyrolyse energiesparende Gas-Luft-Brenner, welche nur einen Bruchteil der Energie im Vergleich zu herkömmlichen Gas-Luft-Brennern verbrauchen. Darüber hinaus ist der Temperatureintrag in die Substratoberfläche bei diesen neuentwickelten Gas-Luft-Brennern deutlich geringer, was zur Folge hat, dass auch thermisch nicht stark belastbare Materialien problemlos behandelt werden können.

Die Beflammung von Oberflächen zur Aktivierung oder Funktionalisierung ist ein etabliertes Verfahren. Die Verwendung von flammengestützten Verfahren bei thermisch nicht stark belastbaren Materialien, wie z.B. Kunststoffe, stellt dagegen potenzielle Anwender vor einige Probleme. Aber auch die immer weiter steigenden Preise für Energie machen den Bedarf an Verbesserungen und Alternativen zu den bisher bestehenden Technologien mehr und mehr notwendig. Die Reduzierung des Energie- bzw. Rohstoffverbrauchs und die damit verbundene Verringerung der CO2-Emission bei flammengestützten Beschichtungsprozessen sind derzeit enorm wichtige Kriterien für die Investitionsentscheidungen in der Industrie.

Die von INNOVENT e.V. konzipierten Brennergeometrien sind in der Lage, die aufgezeigten Nachteile zu minimieren oder komplett zu beseitigen. Diese Brenneraufbauten benötigen im Vergleich zu herkömmlichen Gas-Luft-Brennern nur einen Bruchteil an Energie, um die Oberflächen vergleichbar zu aktivieren oder aber zu beschichten.

Ein erstes vielversprechendes Ergebnis ist der Schlitzbrenner (erteiltes EP-Patent). Dieser besteht aus einem Grundkörper und einsetzbaren Metallformkörpern. Mit Hilfe dieser Metallformkörper besteht die Möglichkeit, die Schlitzbreite und die Strömung des Gas-Luft-Gemisches gezielt einzustellen. Durch diesen Aufbau entsteht ein homogener Flammenbalken über die gesamte Brennerlänge. Die Vorteile dieses Brennertyps sind der modulare Aufbau mit einer hohen Variabilität und darüber hinaus bietet das homogene Flammenbild eine gleichmäßige Aktivierung bzw. Beschichtung der kompletten Substratoberfläche. Hinzu kommt, dass diese Brennergeometrien einen sehr geringen Energieverbrauch aufweisen.

Aktivierungs- und Beschichtungsexperimente zeigen, dass die hier Schlitzbrenner bei einer Breite von 20 cm stabil mit einer Leistung von 0,5 – 2 kW betrieben werden können. Herkömmliche Gas-Luft-Brenner in der gleichen Größenordnung besitzen demgegenüber eine Leistung von 6 – 15 kW. Hier ist das Potenzial des Schlitzbrenners mit Blick auf die Energieeinsparung zu erkennen. Zudem werden empfindliche Materialien durch den geringeren Wärmeeintrag nicht mehr so stark beansprucht, was zur Folge hat, dass die Dauer der benötigten Pause zwischen den Flammendurchläufen drastisch gesenkt und somit die Gesamtprozesszeit minimiert werden kann. Durch die Modulbauweise können alle Bauteile vorteilhaft einzeln gesäubert oder im Extremfall problemlos ersetzt werden.

Die Möglichkeiten dieser neuentwickelten Brennergeometrien ist deutlich am Beispiel der Energien zur Aktivierung von Kunststoffoberflächen zu zeigen. Zu diesem Zweck wurden jeweils Kunststoffproben mit einem herkömmlichen Gas-Luft-Brenner und mit dem Schlitzbrenner beflammt. Das Ergebnis ist, dass die Erhöhung der Oberflächenenergie bei den verwendeten Brennern in der gleichen Größenordnung liegt. Beim Vergleich der eingebrachten Energie der Brenner, erhält man unter Einbeziehung der Brennerleistung, der Kontaktzeit und der Substratgröße für den herkömmlichen Bandbrenner einen Wert von ca. 1 J/mm². Bei Einsatz des Schlitzbrenner ergibt sich ein Wert von nur ca. 0,6 J/mm². Daraus ist ersichtlich, dass durch die Verwendung des Schlitzbrenners mit nur 60% des Energieverbrauchs (im Vergleich zu den herkömmlichen Gas-Luft-Brennern) die gleichen Änderungen der Oberflächenenergie erzielt werden können. Die Energieeinsparung kann durch Veränderung verschiedener Parameter weiter verbessert werden. Die genannten Werte sind erste Ergebnisse und sollen zunächst einmal das Potential dieser Neuentwicklung aufzeigen.

Kontakt:
Dr. Bernd Grünler
Geschäftsführender Direktor INNOVENT e.V., Bereichsleiter Oberflächentechnik, bg@innovent-jena.de