_____ Der Energieverbrauch spielt eine bedeutende Rolle in der Beschichtungs-technik und hier vor allem für den Teil, der sich mit der Trocknung der dünnen Filme befasst. Der Einsatz von herkömm-lichen Konvektionstrocknern führt zu einer effektiven Nutzung der eingesetz-ten Heizenergie von nur wenigen Pro-zent, mit dem Ergebnis, dass die restli-che Energie entweder über den Kamin in die Umgebung abgegeben wird oder aber aufwändige und teure Wärmerückge-

winnungsverfahren zum Einsatz kom-men müssen.

Aufgrund des hohen Energiebedarfs und der damit verbundenen hohen CO2-Belastung hat FMP Technology einen neu-en Diffusionstrockner mit einem hohen Wirkungsgrad von circa 80 % konzipiert und in Vorversuchen erfolgreich getestet. Gegenwärtig als Trockner eingesetzte Systeme, wie zum Beispiel Konvektions-trockner verfügen dagegen nur über einen Wirkungsgrad von höchstens 20 %.

Konvektionstrockner — Stand der TechnikDer Einsatz von Konvektionstrocknern in der Beschichtungstechnik, das heißt für das Trocknen dünner Flüssigkeitsfil-me auf großflächigen, bahnförmigen Materialien, stellt den Stand der Technik dar. Diese Konvektionstrockner arbeiten mit heißer Luft, um dem Flüssigkeitsfilm die notwendige Wärme zuzuführen und gleichzeitig die dabei entweichenden Lösemitteldämpfe aus dem Trocknerbe-reich abzuführen. Konvektionstrockner arbeiten hinsichtlich der eingesetzten Wärme nicht sehr effizient.

Nur höchstens 20 % der eingesetzten Wärme können für die Trocknung im besten Fall genutzt werden. Die Investi-tionen in die notwendige Lösemittel- und Wärmerückgewinnung sind hoch und werden deshalb oftmals nur aufgrund bestehender Umweltauflagen installiert. Verbesserungen der Gesamtsituation der Trocknungstechnik, hier im Bereich der Beschichtung dünner Filme auf bahnförmigen Substraten, sind über die Konvektionstrocknungstechnik nicht zu erwarten.

In den heute eingesetzten Konvekti-onstrocknern werden hohe Luftvolumen umgesetzt. Diese sind notwendig, um die gesetzlichen Auflagen hinsichtlich der Explosionssicherheit der Trockner ein-

Diffusionstrockner

Neues Verfahren für mehr TrocknungsleistungEinen Wirkungsgrad von 80 % verspricht ein neu entwickelter Diffusionstrockner, der speziell für die Trocknung von dünnen Flüssigkeitsfilmen ausgelegt ist. Zum Vergleich: Herkömmliche Konvektionstrockner haben einen Wirkungsgrad von höchstens 20 %. In Vorversuchen wurde die Diffusionstrocknung bereits erfolgreich getestet.

Vorbereitung eines modularen Beschichtungs-Trocknungstrolleys für eine 500 mm breite Indus-trieanlage

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zuhalten. Dennoch behalten Konvek-tionstrockner eine Restgefährdung auf-grund der lokalen Verdampfung explo-sionsgefährlicher Lösemittel, verbunden mit hohen lokalen Konzentrationen über der freien Oberfläche des Flüssigkeits-films.

Die auf Substrate aufgetragenen Flüs-sigkeitsfilme erfordern oftmals eine hohe Oberflächenqualität. Anwender von Konvektionstrocknern können dies über die Luftgeschwindigkeiten steuern, um Störungen der freien Oberfläche wie beispielsweise die „Wolkigkeit“ der Oberfläche zu vermeiden. Das bringt jedoch unvermeidlich Beschränkungen der erreichbaren Wärme- und Stoffüber-tragungskoeffizienten mit sich und damit Einschränkungen in der Trock-nungsgeschwindigkeit.

Steigerungen der Trocknungsgeschwin-digkeit sind in diesem Fall oftmals mit Störungen der Filmoberfläche verbunden. Längere Trocknungszeiten müssen in Kauf genommen werden, ebenso wie lan-ge und damit kostenintensive Trockner.

Ein weiterer Nachteil der heute in der Beschichtungstechnik eingesetzten Kon-vektionstrockner liegt im Einsatz großer Luftmassen. Diese führen inhärent Staubteilchen mit sich und selbst bei bester Filterung, unter Berücksichtigung der Luftmengen, ist die Anzahl der Teil-chen, die pro m3 Luft mitgeführt werden, noch recht hoch. Nur mit Luft unter höchsten Reinraumbedingungen lässt sich die Teilchenzahl auf akzeptable

Werte reduzieren. Ausreichende Filte-rungen der hohen Luftmassen sind oft-mals nicht möglich oder aber mit sehr hohen Kosten verbunden, sodass es als erstrebenswert angesehen wird, die Kon-vektionstrocknung zu ersetzen, unter anderem auch wegen des Staubteilchen-niederschlags auf die Schicht.

Mit konventionellen Konvektions-trocknern sind somit Trockenschichten auf Sub straten in Schichtdickenberei-chen von wenigen Nanometern realisier-bar. Das wäre zum Beispiel im Bereich der optischen und einiger funktioneller Beschichtungen möglich und nur unter

besonderer Berücksichtigung des sys-tembedingt vorhandenen Niederschlags von Staubteilchen in den Luftmassen auf die Schicht.

Aufgrund der oben genannten Nach-teile ist es notwendig, neuartige Trock-

nerkonzepte für die Beschichtungstech-nik zu entwickeln, das heißt für die Trocknung dünner Filme auf großflächi-gen und bahnförmigen Substraten. Sol-che neuen Trockner lassen sich nicht mittels der heute zur Verfügung stehen-den Grundgleichungen der Strömungs-mechanik, mit Wärme- und Stoffübertra-gung, theoretisch ermitteln. Diese Glei-chungen sind unvollständig und enthal-ten nicht die Diffusionsterme für Masse und auch nicht die korrekten Diffusions-terme für Wärme und Impuls.

Grundgleichungen und Stand der TrocknungstechnikDie theoretischen Betrachtungen von Konvektionstrocknern und die darauf auf-bauenden Auslegungen praktisch ein-satzfähiger Einheiten, bedienen sich meistens eindimensionaler Massen-, Impuls- und Stoffgesetzen. Diese lassen sich alle aus der allgemeinen Kontinui-tätsgleichung, der Impulsgleichung und der Energiegleichung ableiten (2). Diese Grundgleichungen der Strömungsmecha-nik wurden von Navier (3) und Stokes (4) abgeleitet und gelten in den unten aufge-führten Formen (Gleichungen 1 bis 3)

(1)

(2)

(3)

wobei die oben genannten Geschwindig-keiten wie Ui, Konvektionsgeschwindig-keiten sind. Die Behandlung der diffusi-ven Terme in diesen Gleichungen erfolgt heute wie in der folgenden Gleichung (4) angegeben:

(4)

Beschichtungs-Trocknungstrolley auf asis der Diffusionstrocknung und Düsen-beschichtung

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Die aufgeführten Grundgleichungen gelten in den angegebenen Formen nur, wenn die durch die Diffusionsvorgänge verursachten Massentransporte gegen-über den konvektiven Massentranspor-ten klein sind. Dies bedeutet, ihre Gül-tigkeit liegt nur für hohe Reynoldszahlen

vor. Für kleinere Reynoldszahlen kommt es zu Diskrepanzen zwischen experi-mentellen und theoretischen Überlegun-gen, da die durch Diffusion verursachten Massenströme nicht mehr klein gegen-über den konvektiven Massenströmen sind.

Erforderliche Erweiterung der GrundgleichungenDie Navier-Stokesschen-Gleichungen, wie sie gegenwärtig im gesamten Bereich der Strömungsmechanik mit Wärme- und Stoffübertragung ange-wandt werden, weisen eine Unvollstän-

Variation von TI über TG

Variation von m über TG

Variation von td über TG

Variation von TI über TH

Variation von m über TH

Variation von td über TH

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digkeit auf. Die für die Diffusionstrock-nung wichtigen Terme sind in den kon-ventionellen Gleichungen nicht enthal-ten. Die Gleichungen gelten nur für den Fall, dass die Massendiffusion (Selbstdif-fusion) in Strömungen vernachlässigbar gegenüber der Konvektion ist. Damit ist verständlich, dass reine Diffusions-vorgänge, wie sie im neu entwickelten Diffusionstrockner angestrebt werden, nicht über die bestehenden Navier-Stokesschen-Gleichungen theoretisch behandelt werden können.

Daher wurden Erweiterungen der Navier-Stokesschen-Gleichungen auf ihre eindimensionale Form reduziert und danach die Diffusionsterme für die Mas-sendiffusion und die Wärmediffusion genutzt, um Diffusionstrockner auszule-gen. Hieraus resultierten Erkenntnisse, die aufzeigen, dass sich Diffusionstrock-ner im gesamten Bereich der Beschich-tungstechnik für dünne Filme auf bahn-förmigen Materialien nutzen lassen. Dies ermöglichte die Entwicklung neuer Trockner mit hoher Wärmeeffizienz, ver-bunden mit Trocknungsvorgängen, die nicht zu Staubbelastungen der auftreten-den Schichten führen. Um diese Trock-nungsvorgänge umzusetzen, wurden „erweiterte Gleichungen“ abgeleitet.

Die Diffusionstrocknung wird im Wesentlichen durch die Kontrolle der Temperatur auf der Unterseite des Sub-strats und durch die Temperatur der Oberseite der Flüssigkeitsschicht bestimmt. Durch Variationen dieser bei-den Temperaturen, in dem man die jeweils andere Temperatur festhält, ergibt sich die Temperatur der Phasen-grenzfläche und der korrespondierende Massenstrom. Die Berechnungen zeigen, dass sich eine Erhöhung des Massen-stromes durch eine Erhöhung der Tem-peratur TG erreichen lässt. Dagegen bringt eine Erhöhung der Temperatur TH eine Reduktion des Massenstroms.

Will man eine Reduktion der Zeit erreichen, so muss man TH klein wählen und TG hoch. Bei einer Temperatur des Gases von TG = 350 K und gleichzeitiger

Erhöhung der Temperatur TH auf der Unterseite des Substrats nimmt bei-spielsweise die Trockenzeit zu. Dies ist unerwünscht und sollte bei Betrieb von Diffusionsreaktoren vermieden werden.

Neuartige DiffusionstrocknerDie neuartige Diffusionstrocknung kann bei unterschiedlichen Substrat-Fluid-Kombinationen eingesetzt werden, bei-spielsweise bei Papier, Kunststofffolien, Textilien oder Metallbändern. Die ur -sprüngliche Aufgabe der Entwickler lag darin, die bestehenden Nachteile her-kömmlicher Trockner zu beseitigen. Dabei sollten Melier-Erscheinungen und große Luftmengen vermieden und gleich-zeitig die Effizienz gesteigert werden.

Mit dem FMP-Diffusionstrockner wird dies in Abkehr vom Stand der Technik dadurch realisiert, dass die Flüssigkeit nicht durch Anströmen des Fluidfilms mit einem Trocknungsgas, sondern mit-tels einer gegenüberliegend des Sub-strats vorgesehenen Wärmequelle ver-dampft und durch Wärme die über die Unterseite des Substrats zugeführt wird.

Damit entfällt der Aufwand zum Auf-heizen und Trocknen großer Mengen des Trocknungsgases und auch dessen Rei-nigung, um den Niederschlag von Staub-teilchen auf der Schicht zu verhindern. Die verdampfte Flüssigkeit wird durch einen Temperaturgradienten über der Filmoberfläche abgeführt, welcher in Richtung der Wärmequelle zur Einstel-lung von TG gerichtet ist. Demnach strömt die verdampfte Flüssigkeit im Wesentlichen senkrecht von der Fluid-oberfläche ab. Eine im Wesentlichen parallel zur Fluidoberfläche gerichtete Strömung wird vermieden. Infolgedes-sen treten beim Trocknen mit Diffusions-trocknern keine Meliererscheinungen im Fluidfilm auf.

Aufbau des DiffusionstrocknersEine dem Substrat zugewandte Wärme-quelle 1 wird in einem definierten Abstand von der freien Oberfläche bezie-hungsweise Grenzfläche des auf das

Substrat aufgetragenen Fluidfilms ange-ordnet. Infolgedessen wird der Fluidfilm vorwiegend mittels direkter Wärmelei-tung aufgeheizt. Eine Wärmeübertra-gung mittels Konvektion wird im Wesentlichen vermieden. Diese Anord-nung ermöglicht eine besonders homo-gene Erwärmung des Fluidfilms und damit eine gleichmäßige Verdampfung der Flüssigkeit. Die Temperatur der Wär-mequelle 1 kann genau geregelt werden.

Mit einer zweiten, temperaturbeauf-schlagten Wärmequelle 2 kann es so gesteuert werden, dass die Temperatur der Transportfläche unterhalb des Sub-strats stets kleiner als die erste Tempe-ratur ist. Eine Temperaturdifferenz zwi-schen der ersten und der zweiten Tem-peratur kann insbesondere so eingestellt werden, dass sich entlang der Transport-vorrichtung ein vorgegebenes Tempera-turdifferenzprofil einstellt. Die vorge-schlagene Regelung der ersten und zwei-ten Temperatur ermöglicht die Einstel-lung eines vorgegebenen Temperatur-gradienten.

Je größer der Temperaturgradient ist, desto effektiver ist die Verdampfung der Flüssigkeit. Infolgedessen kann es zweckmäßig sein, dass die zweite Tem-peratur der Transportfläche beispiels-weise auf Raumtemperatur gehalten oder sogar die Transportfläche mittels einer Kühleinrichtung gekühlt wird.

Der Temperaturgradient beziehungs-weise die Temperaturdifferenz zwischen erster und zweiter Temperatur kann sich entlang der Transportrichtung in vorge-gebener Weise ändern. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, dass die Menge der zu verdampfenden Flüssig-keit in Transportrichtung abnimmt. Die Änderung des Temperaturgradienten kann durch eine geeignete Regelung der ersten und der zweiten Temperatur oder auch durch eine Änderung des Abstands der Wärmequelle von der Oberfläche des Fluidfilms bewirkt werden.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, dass eine durchströmbare Wärmequelle verwendet wird und die

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verdampfte Flüssigkeit durch die Wär-mequelle hindurch abgeführt wird. Damit kann die verdampfte Flüssigkeit im Wesentlichen senkrecht von der Oberfläche des Fluidfilms abgeführt werden. Auf diese Weise wird eine uner-wünschte Strömung der verdampften Flüssigkeit parallel zum Fluidfilm ver-mieden. Als Wärmequelle kommt eine durchströmbare, elektrische Heizquelle zum Einsatz, um die verdampfte Flüssig-keit von der Oberfläche des Fluid films abführen zu können.

Bei dem neu entwickelten Diffusions-trockner wird beispielsweise eine rotier-bare Walze als Transportvorrichtung verwendet und mit einem Schlitzdüsen-werkzeug zum Auftragen des Fluidfilms kombiniert. Im Falle der Verwendung einer rotierbaren Walze als Transport-vorrichtung ist die Wärmequelle korres-pondierend zur Mantelfläche der Walze ausgestaltet. Dementsprechend ist die Heizfläche der Wärmequelle in einem definierten Abstand von der Mantelflä-che angeordnet.

Modulare TrocknungstrolleysIn der heutigen Beschichtungs- und Trock-nungstechnik finden neuartige, qualitativ hochwertige Produkte, wie beispielsweise Dünnschicht-Solarmodule, bedruckte

Elektronik, optische Folien oder Membra-ne besondere Beachtung. Für diese Pro-dukte ist aber gerade die Genauigkeit und die Fehlerfreiheit der aufzutragenden Schichten sowie deren Trocknung von essentieller Bedeutung. Unkontrollierbare Schichtdickenvaria tionen, bedingt durch Änderungen der Produktionsbedingun-gen (bei der Walzen- oder Rakelbeschich-tung) oder durch Änderungen der Fluid-eigenschaften, sind nicht mehr vertretbar. Ebenso müssen Störungen auf beschich-teten Oberflächen („Wolkigkeit“, Nieder-schlag von Staubteilchen), verursacht durch die hohen (ungefilterten) Luft-geschwindigkeiten herkömmlicher Konvektions trockner, vermieden werden.

Vor diesem Hintergrund hat FMP Technology eine neue Art von modula-ren Beschichtungs-Trocknungstrolleys, sogenannte Booster, entwickelt. Auch bestehende Produktions- und Techni-kumsanlagen lassen sich damit nachrüs-ten. Basierend auf der analytischen Pro-zessauslegung erfolgt die konstruktive Auslegung, die Fertigung, die Integrati-on und die Inbetriebnahme spezifischer Trockner, um die technische und wirt-schaftliche Herstellung der Fluidschich-ten zu gewährleisten.

Die Herausforderung hierbei ist die nachhaltige Überführung der Laborpro-

zesse in kontinuierliche Rolle-zu-Rolle-Produktionsprozesse. Durch die analyti-sche Berechnungskompetenz von Beschichtungs- und Trocknungsprozes-sen beherrscht FMP Technology diese Hochskalierung jedoch ohne zeit- und kostenintensive, empirische Versuchs-reihen.

Mit Hilfe der Booster können beste-hende (Produktions-)Anlagen durch eine Kombination aus Düsenbeschichtung und Diffusionstrocknung auf den aktu-ellen Stand der Technik aufgerüstet wer-den. Superdünne Schichten sind damit als Nassfilm und Trockenfilm reprodu-zierbar sowie mit hoher Genauigkeit und der gewünschten Wirtschaftlichkeit her-stellbar. Die Trolleys sind für unter-schiedliche Fluid-Substrat-Kombina-tionen einsetzbar, beispielsweise für Schichten auf Folien oder Papieren.

In bestehenden Anlagen können anstelle eines ersten Trocknersegments Trocknungsbooster integriert werden, die gegenüber herkömmlichen Konvek-tionstrocknern verkürzte Trocknerlän-gen ermöglichen. __|

Die Autoren: Andrea Steuer, Martin Gillert, Prof. Dr. Dr. h. c. Franz Durst,

FMP Technology GmbH, Erlangen, Tel. 09131 93286810,

info@fmp-technology.de, www.fmp-technology.com

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