Trocknungsöfen verbrauchen viel Energie und nehmen viel Platz in Anspruch. Alternative Technologien wie die laser- oder die elektronenbasierte Trocknung bieten gegenüber dem konvektiven Prozess Vorteile.
Die Infrarotaufnahme zeigt eine Gelierung während des Lasertrocknens.
IPG Laser GmbH & Co. KG
Um flüssige Schichten in den festen Zustand zu bringen, bedarf es Energie – sei es zum Verdampfen eines Lösemittels oder von Wasser oder damit die Polymerisation oder Vernetzung innerhalb der Flüssigkeit abläuft. Die Industrie bedient sich hier klassischerweise der thermischen Trocknung im Ofen. Allerdings hat sie einen Nachteil: Sie ist energieintensiv. Noch bevor überhaupt eine Paste oder ein Lack im Ofen aushärtet, muss nämlich die Luft im Ofen auf Betriebstemperatur aufgeheizt werden. Dabei ist der Ofenraum oftmals deutlich größer dimensioniert als die darin zu trocknenden Teile.
Wissenschaft und Industrie arbeiten deswegen an industrietauglichen Verfahren, die Energie zielgerichtet in den zu erwärmenden Bereich einbringen. Infrage kommt dabei unter anderem die Strahlungstrocknung und -härtung. Über die Wellenlänge der Strahlung kann die Reaktion in der Flüssigphase gezielt gesteuert werden. Beispielsweise trocknet elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen von über 800 nm eine flüssige Beschichtung, während Wellenlängen von unter 400 nm chemische Reaktionen initiieren und die Flüssigkeit härten.
Per UV-Strahlung und Elektronen trocknen
Ein etabliertes Strahlungsvefahren ist die UV-Härtung (UVH). Einem Lacksystemen werden dabei sogenannte Fotoinitiatoren beigemischt. Diese absorbieren die UV-Strahlung und leiten so die Polymerisation ein. Allerdings wirken die klassischen Fotoinitiatoren oftmals toxisch, weswegen Umweltgesetzgebungen deren Einsatz zunehmend engere Grenzen setzen. Als Reaktion darauf haben unter anderem die Unternehmen BASF und IST Metz ein UVH-Verfahren entwickelt, das ohne Fotoinitiatoren auskommt. Dabei sollen mit den Standardverfahren vergleichbare Reaktionsgeschwindigkeiten sowie chemische und mechanische Eigenschaften erreicht werden.
Ein weiteres Verfahren für die zielgerichtete Härtung, das ohne Fotoinitiatoren auskommt, ist die Elektronenstrahlhärtung (ESH). Niederenergetische Elektronen übertragen dabei ihre Energie an Atome und Moleküle in einer flüssigen Beschichtung. Dadurch entstehende freie Radikale setzen die Polymerisation beziehungsweise die Härtung in Gang. Laut Uwe Lohs vom Landshuter Unternehmen Asis benötigt das Verfahren spezielle Lackformulierungen, eine angepasst Lackapplikationstechnik und eine inerte Atmosphäre. Der thermischen Härtung soll die ESH in Bezug auf Schichteigenschaften, CO2-Ausstoß und Energieverbrauch überlegen sein.
Laserbasierte Trocknung von Batterieelektroden
Speziell für die Trocknung von Elektroden in der Batteriefertigung hat das Unternehmen Laserline gemeinsam mit Forschungspartnern ein laserbasiertes Verfahren entwickelt. Zum Einsatz kommt es in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess, in dem ein flüssiger Elektrodenfilm getrocknet wird, der sich auf einer Trägerfolie befindet. Der Elektrodenfilm enthält Graphitartikel. Der Infrarot-Diodenlaser wirkt direkt auf die Partikel und erwärmt sie. Zum Einsatz kommen dabei Laser mit einer Leistung von 10 bis 15 kW, Strahlung mit Wellenlängen von 900 bis 1080 nm und spezielle Optiken, die den Laserstrahl hochdivergent und zugleich homogen auf Spots von bis zu 1,5 m Breite auffächern. Laut Simon Britton, Technologiemanager bei Laserline, senkt die Lasertrocknung den Energieverbrauch in der Elektrodentrocknung um mindestens 40 bis 50 % gegenüber dem Einsatz von Konvektionstrocknern.
Auch das Unternehmen IPG Laser betont die hohe Energieumwandlungseffizienz der Lasertrocknung. Bei Pulverbeschichtungen etwa dringe die Strahlung einige Mikrometer unter die Oberfläche der Beschichtung und erwärme sie von Innen. Allerdings berichtet das Unternehmen auch von Investitionskosten, die im Vergleich zu gasbefeuerten Kastenöfen viermal gegenüber Infrarotanlagen doppelt so hoch ausfielen. Betreiber, die sich auf Durchsatz konzentrieren, profitierten jedoch von der höheren Kapazität, den niedrigeren Betriebskosten und dem geringeren Platzbedarf in der Fabrik, sodass sich die Investitionskosten schnell amortisierten.