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Titel der Erfindun:
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Oberflächenvergütete Schweißerschutzfilterscheibe bzw.
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Schweißerschut zfiltervorsatzscheibe Anwendungsgebiet der Erfindung:
Die Erfindung betrifft eine oberflächenvergUtete Schweißerschutzfilterscheibe bzw.
Schweißerschutzfiltervorsatzscheibe.
Charakteristik der bekannten
technischen Lösungen: Es ist bekannt, daß bei längerem Schweißen (insbesondere Elektrodenschweißen
und CO2-SG-Schweißen) die teueren Schweißerschutzfilterscheiben durch das Einbrennen
von heißen Eisenoxid- und Schiacketeilchen unbrauchbar werden. Um dies zu verhindern,
wird vor der Schweißerschutzfilterscheibe eine sogenannte Schweißerschutzfiltervorsatzscheibe
aus farblosem Glas angeordnet, die auch mit einem Gelatineuberzug versehen sein
kann (E'-GS 1 946 420). Die Durchsicht durch eine auf diese Weise präparierte Scheibe
ist nur von geringer Dauer, und sie muß nach relativ kurzer Schweißzeit ersetzt
werden. Es ist ferner bekannt, Schweißerschutzfiltervorsatzscheiben aus farbloses
Glas mit glasklarem, farblosem oder gefärbtes Lack zu beschichten, der eine etwas
bessere antiadhäsive Wirkung gegenilber heißen Eisenoxid- und Schlacketeilchen aufweist
(DT-GM 1 959 201). 8 ist weiterhin bekannt, daß als Schweißerschutzfiltervorsatzscheibe
eine massive Plastecheibe verwendet wird, die in hohem Maße das Haften der heißen
und glühenden Teilchen auf der Scheibenoberfläche verhindert (Prospekt PROTECTOR
SAFETY PRODUKTS (U.K.)LTD). Fernerhin ist bekannt, die Schweißerschutzfiltervorsatzscheibe
aus Glas oder Plast einzusparen und die Schweißerschutzfilterscheibe aus Glas durch
eine solche aus gefärbtes Plant zu ersetzen (Prospekt von DYNAMIT NOBEL AG betr.
"CELLON T"). Nun schützt diess Plastscheibe das Auge sowohl vor ultravioletter Strahlung
als auch spritzenden Eisenoxid- und Schlacketeilchen, denen gegenüber die Plastscheibe,
wie auch die vorerwähnte Schweißerschutzfiltervorsatzscheibe aus Plast, antiadhäsiv
wirkt.
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Diese vier, den Stand der ilechnik repräsentierenden Vnrianten sind
mit folgenden MLtne'eln behaftet Eine einen Gelatineüberzug besitzende Sctjweißerschutzfiltervorsatzscheibe
verschmiert häufig und wirkt dann durchsichtbehindernd. Eine zusätzliche Durchsichtbehinderung
ergeben die einbrennenden Eisenoxid- und Schlacketeilchen, da der Gelatineuberzug
offenbar wegen seiner zu geringen Dicke und physiokochemischen Konstitution das
Haften und einbrennen der eilchen nicht hinreichend zu unterbinden vermag, so daß
zum beispiel beim CO2-SG-Schweißen mit einer Stromstärke von 300 A bereits nach
einer Schweißzeit von 10 Minuten die Durchsicht der Scheibe um 50 % gemindert ist.
Hiermit sinken Produktivität und Qualität der Arbeit beträchtlich. Hinzu kommt die
Gefahr des Zerspringens der Schweißerschutzfiltervorsstzscheiben beim Schweißen
in einer Zwangslage, wie es das Schweißen von Erdgas- und Erdölleitungen fordert,
insbesondere bei Verwendung von sogenannten Zelluloseelektroden auf Grund der hohen
thermischen Belastung beim Auftreffen von größeren glühenden Partikeln. Schweißerschutzfiltervorsatzscheiben
aus Plant sind teuer, besitzen meist unter hoher thermischer Belastung keine hinreichende
mechanische Stabilität und sind zu wenig kratzfest. Selbst für diesen Zweck besonders
geeignete Plaste zeigen nach längerer Schweißzeit eine oberflächliche Trübung durch
an der Scheibenoberfläche vor sich gehende Oxidation, wodurch die optische Qualität
derart beeinträchtigt wird, daß eine Erneuerung der Scheibe erfolgen muß. Gerade
diese zusetzt beschriebene Anfälligkeit macht deutlich, daß die Standzeit dieser
Scheiben im Schweißbetrieb nicht Uber die Scheibendicke geregelt werden kann, so
daß ihre Vorteile, wie B°-ringeres Gewicht im Schweißerhelm und kleinere Bruckgefahr
bei eventueller harter mechanischer Belastung, durch den zwangshäufig unnötigen
Kehraufwand an teuerem Plastmaterial schließlich in ökonomischer Hinsicht nicht
zum Tragen kommen. All
diese Mängel besitzt auch eine SchwejJrschutzfi1ter'cheibe
aus last. Hier kommen jedoch die nicht hinreichenden optischen Eigenschniten, wie
zu großer Streulichtanteil und zu geringe Infrarotabsorption, hinzu, so daß diese
bedeutenden optischen Kennwerte meist nicht den international üblichen Normen entsprechen
und somit das Auge permanent gefahruet ist. Eine glasklare farblose oder gaefirbte
lackschicht auf herkömmlichen Schweißerschutzfiltcrvorsatzscfeiben schützt in vielen
Fällen die Scheibe nicht zuverlässig vor Spritzereinbrand und trübt nach kurzer
Schweißzeit ein. ber Grund dafür ist zum einen die Unterschreitung einer gewissen
Mindestdicke der Lackschicht und zum anderen die Applikation von Lacken, die für
diesen Verwendungszweck strukturchemisch ungeeignet sind. Eine heihe von becken,
die dagegen sehr gute Ergebnisse erbringen würden, lassen sich aber oftmals nur
mit schlechter Haftung am Glas oder in etwas getrübter Form auf die Schweißerschutzfilterscheibe
bzw. Schweißerschutzfiltervorsatzscheibe aufbringen; diese Mängel zu beseitigen
erfordert generell einen ökonomischen li,ehraufwand.
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Ziel der Erfindung: Ziel der Erfindung ist es, auf technologisch einfache
und @ kostengünstige Weise die vorstehend aufgezeigten Mängel zu beseitigen, ohne
die hervorragenden optischen Eigenschaften der Schweißerschutzfilterscheibe bzw.
Schweißerschutzfiltervorsatzscheibe aus Glas zu beeinträchtigen.
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Darlegung des Wesens der Erfindung: Die technische Aufgabe, die durch
die Erfindung gelöst wird: Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schweijerschutzfilterscheibe
bzw. Schweißerschutzfiltervorsatzscheibe zur Verfugung zu stellen, auf der die heißen
Eisenoxid- und Schlacketeilchen nicht einbrennen, ein Bestreichen mit einem
t;el;ititleaberzug
und damit Verschmieren der Scheibe sowie die Verwendung eines teueren und oftmals
bei hoher thermischer Belastung mechnisch nicht hinreichend stabilen Plasts mit
mangelhafter optischer qualität entfallen und ein vorzeitiges Unbrauchbarwerden
der Scj,weierschutzfilterscheibe bzw. Schweißerschutz£iltervorsjtzscheibe mit glasklarer,
farbloser oder gefärbter Lackschicht auf Grund einer zu dünnen Schicht oder der
Anwendung eines Lackes, der sich aus strukturchemischer Sicht fiir diesen Verwendungszweck
relativ schlecht eignet, weitestgehend verzögert wird.
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Merkmale der Erfindung: Erfindungsgemä3 werden die dem Stand der Technik
anhaftenden Mängel durch Maßnahmen beseitigt, denen folgende Uberlegung zugrunde
liegt: Organische Verbindungen, zu denen auch Hochpolymere, wie Plaste usw., gehören,
können nach einem Radikalmechanismus mit Sauerstoff bereits unter "milden" Bedingungen
(Zimmertemperatur) zu Hydroperoxiden bzw. deren Folgeprodukte reagieren. Die Oxidation
wird durch Peroxide, Belichtung und Spuren von Schwermetallionen beschleunigt. Da
Peroxide im Verlauf der Reaktion gebildet werden, verläuft sie autokatalytisch.
Diese Reaktionsbedingungen sind im Schweißbetrieb beim Aufprall glühende Metall-
und Schlacketeilchen auf schweißerschutzfilterscheiben bzw. Schweißerschutzfiltervorsatzscheiben
aus Plast bzw. solchen aus silikatischem Material, die mit einem Plast überzogen
sind, vorhanden.
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Die Chemie der Oxidation organischer Verbindungen mit molekularem
Sauerstoff unter diesen Bedingungen macht deutlich, daß die Intensität des Sauerstoffangriffe
von der Struktur
der organischen Verbindung abh&tnet, und der
AnRriff bevorzugt an CH-Bindungen hoher Reaktivität, d. h. solcher, die sich in
Nachbarstellung zum aromatischen Kern und in Allylstellung befinden, an tertiären
CH-Bindungen, CH-Bindungen in Nachbarstellung zum Sauerstoff wie in Aldehyden, Äthern,
Alkoholen, Acetalen usw. erfolgt. So werden z. B. tertiäre CH-Bindungen neunzehnmal
schneller angegriffen als sekundäre und diese wieder viermal schneller als primäre
CH-Bindungen. Bestehen die organischen Materialien aus gesättigten Kettenmolekülen,
so ist der Angriff fast immer mit einer Kettenzerreißung unter Bildung organischer
Säuren verhunden. Die Bildung dieser kürzerkettigen sauren Produkte, z. B.
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auf einer Plastoberfläche, ruft auf Grund der schmierigen Konsistenz
dieser Spaltprodukte eine Trübung der Oberfläche hervor; die Durchsicht ist dann,
z. B. bei einer Schweißerschutzfilterscheibe bzw. Schweißerschut zfiltervoreatzscheibe
aus diesem Material, derart gemindert, daß diese Scheibe unbrauchbar wird.
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Summarisch in stark vereinfachter Darstellung kann der Sauerstoffangriff
auf ein gesättigtes Kettenmolekül (z. B. Paraffin) wie folgt formuliert werden:
sekundäre CH-Bindung
Hydroperoxid R1COOH + R2COOH kUrzerket tige organische Säuren
Aus
der Struktur organischer Verbindungen sind die CH-Bindungen erkennbar, die bevorzugt
einem Sauerstoffangriff unterliegen und eine ungefähre Abschätzung über deren Beständigkeit
zulassen. las soll an folgenden drei Strakturen verdeutlicht werden:
FolyvinylalkoholmolekUl mit einer aktivierten C - H-Bindung
R'; R = Alkylreste oder H- Atome Polycarbonatmolekül mit keiner aktivierten C -
H -Bindung
Las Zellulosernolekul hat sechs aktivierte C indungen
und ist dem Sauerstoffangriff besonders sturk unterworfen; das Polyvinylalkoholmolekül
hat eine aktivierte C-H-Bindung und eine normale sekundäre C-H-Bindung und nimmt
in diesem Vergleich eine Mittelstellung ein; das Polycarbonatmolekül hat, wenn R
und R' Alkylreste sind, keine aktivierte C-H-Bindung und ist am stabilsten. Das
zeigt sich auch darin, daß Polycarbonate bis über eine Tempercltur von 300 oC beständig
sind.
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Die bisherigen Ausführungen zeigen, daß der Sauerstoffangriff stets
an den C-H-Bindungen besonders bei aktivierten C-H-Bindungen erfolgt. Dies deutet
darauf hin, daß organische Polymere mit Molekülteilen ohne C-H-Bindungen eine erhöhte
Beständigkeit gegenüber dem Sauerstoffangriff im Schweißbetrieb besitzen müssen.
Solche wasserstofffreien Strukturelemente lassen sich allgemein durch Eliminierungsreaktionen
an organischen gesättigten oder ungesättigten Molekülen herstellen, in deren Verlauf
Hydroxylgruppen, Carbonsäurereste, Halogenatome, Alkoxygruppen, quaternäre Aminogruppen,
tertiäre Sulfogruppen und dgl. unter Bildung der energiearmen Verbindungen Wasser,
Carbonsäure, Halogenwasserstoff, Alkohol, tertiäres Amin, Thioäther und dgl. abgespalten
werden. Im Falle der totalen Wasserstoffverarmung von Teilen der Kohlenstoffketten
können die folgenden drei Strukturen auftreten:
Polyins trukt ur Kumulenstrukt ur
Polyin-enstruktur
Die Polyinstruktur kann sich, wie nachstehend gezeigt, mit der
Kumulenstruktur unter gewissen Bedingungen in einem Isomeriegleichgewicht befinden:
Polyinstruktur Kumulenstruktur Organische Verbindungen dieser Art mit einer größeren
Anzahl konjugierter Dreifachbindungen bzw. kumulierter Doppolbindungen sind im allgemeinen
instabil. Stabilitätserhöhend wirken Substituenten am Kettenende, Lösungen dieser
Verbindungen, Molekülverbindungen und Einschlußverbindungen derselben.
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So z. B. explodiert das Triacetylen H - (C # C)3 - H bei -10 oC während
du di-tert.-butyheptaacetylen trotz seines höheren Polymerisationsgrades auf Grund
seiner sperrigen Substituenten am Kettenende sich erst bei 5150 oC zersetzt.
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Wie die Praxis bestätigt, sind dieso Verbindungen (Polyinog Kumulene)
unompfindlich gegenüber einem oxydativen Angriff,
was mit Sicherheit
auf dio dafur gUnstigen Bindungeverhältnisse zurUckzuSühren ist (verminderte Anzahl
von C-H-Bindungen).
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Aus der Sicht chemischer und kommerzieller Uberlegungen bietet sich
fUr die Herstellung und Stabilisierung dieser Verbindungsklasse Polyvinylacetat
bzw. Polyvinylalkohol an. in diesen Verbindungen sind eliminierungsfähige Gruppen
in 1,3-Stellung vorhanden, und die Plastmatrix garantiert die Ausbildung von Molekulverbindungen
mit langen Substituenten am Kettenende, wodurch bekanntlich Polyine bzw. Kumulene
stabilisiert werden.
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Folgender Reaktionsablauf ist zu erwarten:
1. Polyvinylalkoholmolekül
2. Polyvinylalkoholmolekül mit teilweiser Polyenstruktur
3. Polyvinylalkoholmolekül mit teilweiser Kumullenstruktur
4. Polyvinylalkoholmolekül mit teilweiser Polyinstruktur uer Ubergang von der zweiten
in die dritte Struktur (Vehydrlerung) ist ebenfalls sehr wahrscheinlich, da die
gekennzeichneten H-Atome in aer zweiten Struktur energetisch begünstig sind, sich
radikalisch abzuspalten, da die Möglichkeit der Mesomeriestabilisierung vorhanden
ist. Durch das mesomeriefähige System entstehen energiearme Radikale, die sich zu
der dritten und vierten Struktur stabilisieren. Im vorliegenden Fall sind die gekennzeichneten
H-Atome in einer quasi Allylstellung an die C-Atome gebunden, wodurch die Energie
zur Spaltung dieser Bindung bei 75 - 77 kcal/Mol liegt, während vergleichsweise
die Spaltungsenergie für die C-H-Bindung im Äthan oder Propan usw. 90-102 kcal/Mol
beträgt.
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Die Erfindung ist des weiteren derart ausgestaltet, daß der Lösung,
die zum Auf tragen auf die Schweißerschutzfilterscheiben bzw. Schweißerschutzfiltervorsatzscheiben
verwendet wird und eliminierungsfähige gesättigte oder ungesättigte organische Verbindungen
enthält, geringe Mengen an Propantriol-1, 2, 3 (Glycerin) oder anderen mehrwertigen
Alkoholen zugemischt werden, die die Eigenschaft haben, ihre OH-Gruppen erst bei
höheren Temperaturen abzuspalten als das eliminierungsfähige Material, das die Schutzwirkung
auf den Schweißerschutzfilterscheiben bzw. Schweißerschutzfiltervorsatzscheiben
hervorruft. Dadurch wird die gute Haftung des Schutzüberzugs auf dem Glas, durch
die Ausbildung von WasserstoffbrUckenbindungen zwischen den OH-Gruppen der Glasoberfläche
und denen des zugefUgten mehrwertigen Alkohols, gewährleistet. Ohne du Hinzufugen
dieses Reagenzes haftet der Schutzüberzug kaum da, besonders durch fortschreitende
Eliminierung von polaren Gruppen, die Haftung auf der Glasoberfläche sukzessiv nachläßt.
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Des weiteren ist die i:;r£indung derart modifiziert, daß die vergütete
Glasscheibe eine zusätzliche Stabilisierung ihrer l'emperaturwechselbeständigkeit
erfährt, indem sie vor dem Auftragen de£ rchUtzenden Plastüberzuges in an sich bekannter
Weise chemisch verfestigt wird, und die Gefahr des Zerspringens beim Auftreffen
glUhender Partikel, speziell beim E-Schweißen mit Zelluloseelektroden, noch weiter
reduziert wird.
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Die vorteilhafte Wirkung der vorliegenden n;rfindung besteht darin,
daß auf technologisch einfache und kostengünstige weise der Gebrauchswert der erfindungsgemäß
vergüteten Schweißerschutzfilterscheibe bzw. Schweißerschutzfiltervorsatzscheibe
speziell gegenüber den im Stand der technik angeführten Schweißerschutzfiltervorsatzscheiben
mit glasklarer farbloser oder gefärbter Lackschicht erheblich gesteigert werden
kann, ohne die Vorzüge der bewährten Schweißerschutzfilterscheibe bzw. Schweißerschutzfiltervorsatzscheibe
aus Glas einzuschränken, Durch den massenhaften Einsatz dieser Scheiben im Schweißbetrieb
kommt es zu einer Einsparung an effektiver Schweißzeit, zu einer Senkung der arbeitsmedizinisch
nachgewiesenen Augenschädigungen durch angestrengtes Sehen und zu einer Verbesserung
der Schweißqualität.
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AusführungsbeisPiel: Die Erfindung soll nach£tehend an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß die erfindung nicht
auf dieses Beispiel beschränkt ißt, sondern Änderungen und Modifizierungen innerhalb
des Gegenstandes der Erfindung möglich sind.
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Bei6Diel 1s Die in warmer Reinigungemittellösung gesäuberten Schweißerschutzfilterscheiben
bzw. Schweißerschutzfiltervorsatzscheiben werden mittels einer Haltevorrichtung
in einer als Behandlungslo6ung dienenden wäßrigen Lösungsmischung von Polyvinyl
alkohol
und einer .uinerulchure getaucht bzw. mit dieser Behandlungslösung besprüht. besonders
bewährt sich eine L3sung mit 10 Gev. Fclyvinylalkohol und 5 bis 7 cm3 konzentrierter
Phosphorsäure pro Liter Lösung zur Katalysierung der Eliminierungsreaktion; der
verwendete Polyvinylalkohol enthält noch ca. 12 Mol% unverseiftes Polyvinylacetat.
Zur Verbesserung der Haftung der Schicht auf dem Glas nach der reaktion wurden mindestens
2 g Glycerin pro-Liter der obigen Lösung zugegeben. Die auf diese eise behandelten
Scheiben wurden thermisch bei liner Temperatur von 160 biß 250 °C in einem Trockenschrank
je nach Behandlungszeit unterscniedlich langen Behandlungszeiten unterworfen, bis
in allen fällen eine dunkelgelbe bis gelbbraune Färbung der Scheiben erreicht ist.
Nach Abkühlung derselben sind diese fUr den Einsatz im Schweißerbetrieb verwendungsfähig.
Die auf diese Weise hergestellten Scheiben sind stark hydrophob und übertreffen
bezüglich Abriebfestigkeit die meisten der gebräuchlichen Beschichtungsmaterialien
(Polyvinylformal, Polyvinylalkohol mit Kaliumchromat gehärtet, Zelluloseacetat,
und dgl.).
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Unter vergleichbaren Bedingungen im Schweißerbetrieb (C02-SG-Schweißen,
E-Schweißen usw.) wurde ermittelt, daß die Gebrauchsdauer der erflndungsgemäß vergüteten
Schweißerschutzfilterscheiben bzw. Schweißerschutzfiltervorsatzscheiben bis um den
Faktor zwei hdher liegen kann im Vergleich zu anderen gebräuchlichen Beschichtungsmaterialien.
Auf den Scheiben haften keine Schweißspritzer und die Oxidationsanfälligkeit des
Schutzuberzuges ist durch den Gehalt an Polyinen bzw. Polyinenen der Plastmatrix
wesentlich vermindert, was sich in einer erheblich verzögerten Eintrübung der Scheiben
äußert.
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Zum Nachweis des Auftretens von Polyin- bzw. Polyin-enstrukturen in
der Schutzüberzugsschicht; wurde die erfindungsgemäße Beschichtung an Quarzscheiben
durchgeführt, um UV-spek troskopische Untersuchungen vornehmen zu können. In Figur
1
ist das UV-Spektrum der erfindungsgemäßen beschichtung wiedergegeben.
Die Lage der Hauptmaxima der banden ist in folgender Tabelle im Vergleich zu den
iiauptmaxima der banden von Vergleichssubstanzen vom Polyin-en-Typ
gegenüber gestellt.
n 1. 5 e r i e 2. 5 e r i e Bemerkung 1 (252) 266 275 Vergleichssubstanz 2 237 246
260 275 291 310 3 236 254 272 290 308 330 354 4 237 271 281 300 320 341 366 397
5 270 280 297 312 342 367 398 433 "-275 285 310 324 337 355 386 erfindungsgemäße
Beschichtung-Es ist deutlich zu erkennen, daß in der erfindungsgemäßen Be-Schichtung
Polyin-enstrukturen des obigen Typs mit n B 5 enthalten sind. (Hauptkriterium ist
das Auftreten von vier Hauptbanden der ersten Serie.)
Die auftretenden
geringfügigen Abweichungen zwischen den A max-Werten sind auf die ohne Zweifel unterEchiedlichen
Substituenten R zuruckzuführen, denn # max genügt der Beziehung # max = A # + B,
wobei n die Anzahl der konjugierten Mehrfachbindungen ist und A und 3 Konstanten
sind, deren Größe von den Subetituenten abhängt.
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Eine zweite Quarzscheibe, die ebenfalls erfindungsgemäß beschichtet
wurde und gegenüber der ersteren einen deutlich dunkleren Farbton aufwies, ließ
sich UV-spektroskopisch an der verwendeten Meßanordnung auf Grund des extrem hohen
molaren Extinktionskoeffizienten der Beschichtung nicht mehr auswerten. Aber gerade
dies ist auch ein deutlicher Hinweis darauf, daß in der Plastmatrix die oben beschriebenen
Grundstrukturen enthalten sind. Keine andere organische Struktur erbringt solch
hohe molare Extinktionskoeffizienten (bis zu 6 = 500 000 cm2/Millimol), wie die
Polyine bzw. Polyin-ene.