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Beim Verpackungsdruck kommen häufig UV-härtende Druckfarben zum Einsatz. Die praxisübliche Trocknung mittels Quecksilber-Strahlern ist mit hohem Energieverbrauch verbunden. Ein Alternative könnten UV-LED-Strahler sein. Wie sich die Quecksilber- beziehungsweise LED-Strahlertechnologie auf die UV-Härtung von Druckfarben und deren Haftung auf schwierigen Untergründen wie etwa Polyethylen und Polypropylen auswirken, hat das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA gemeinsam mit der Fogra Forschungsgesellschaft Druck untersucht.

Typische Anwendungen UV-härtender Druckfarben sind Großformatdrucke im Außenbereich für Werbung, der Druck von Geldscheinen, Scheckkarten und der Verpackungsdruck für Kosmetika, Arzneimittel und Lebensmittel. Im Bild: Druckfarbe gelöst in Wasser. (Foto: Casther / Fotolia)

Typische Anwendungen UV-härtender Druckfarben sind Großformatdrucke im Außenbereich für Werbung, der Druck von Geldscheinen, Scheckkarten und der Verpackungsdruck für Kosmetika, Arzneimittel und Lebensmittel. Im Bild: Druckfarbe gelöst in Wasser. (Foto: Casther / Fotolia)

Typische Anwendungen UV-härtender Druckfarben sind der Verpackungsdruck für Kosmetika, Arzneimittel und Lebensmittel, Großformatdrucke im Außenbereich für Werbung oder der Druck von Geldscheinen und Scheckkarten. Die Bedruckung von Kunststofffolien beziehungsweise Tuben, Dosen oder Bechern ist ein weiterer Markt.

Ein Nachteil der UV-Härtung sind laut Fraunhofer IPA und Fogra neben den höheren Kosten für die UV-Druckfarben vor allem der Energieverbrauch der praxisüblichen Quecksilber-Mitteldruckstrahler. Eine typische Offsetdruckmaschine hat drei End- und Zwischentrockner und benötigt für deren Betrieb ungefähr 500 000 kWh pro Jahr.

Kosteneinsparungen durch UV-LED-Strahler

Der Ersatz der Quecksilber-Mitteldruckstrahler durch energiesparendere UV-LED-Strahler könnte zu Energie- und Kosteneinsparungen führen, so die Forschungsinstitute. Nach Herstellerangaben liege der Energiebedarf von LED-Strahlern 70 bis 90 Prozent unter dem herkömmlicher Quecksilber-Strahler. UV-LED-Strahler seien zudem ozonfrei, was die Kosten für Ab- und Zuluft stark vermindern würde. Eine höhere Lebensdauer sowie ein schnelles An- beziehungsweise Ausschalten ohne Aufwärmphase seien weitere Vorteile, da hierdurch keine Energiekosten im Standby-Betrieb entstehen. Es gibt jedoch einen Haken: UV-LEDs sind deutlich teurer, LED-geeignete Druckfarben noch Mangelware.

Reproduzierbare Messverfahren entwickelt

Die gemeinsam von den Forschern der Fogra und des Fraunhofer IPA durchgeführte Untersuchung ging der Frage nach, ob die Verwendung von UV-LEDs an Stelle von Quecksilber Mitteldruckstrahlern zu Veränderungen im Härtungsverhalten von UV-härtenden Druckfarben und –lacken führt. Sowie der Frage, ob die unterschiedlichen Strahlungsquellen zu einem veränderten Haftungsverhalten dieser Beschichtungen auf kritischen Untergründen führen kann.

Die Forscher kamen zu dem Ergebnis, dass einem Ersatz der Quecksilber-Mitteldruckstrahler durch UV-LEDs nichts im Weg steht, solange einige Randbedingungen erfüllt werden:

  • Die Lichtmenge, die von beiden Strahlertypen auf die zu härtenden UV-Farben und -lacke einwirkt, muss zu einer vergleichbaren Radikalbildung von den in den jeweiligen Beschichtungen enthaltenen Photoinitiatoren führen.
  • Die überraschenderweise auch bei radikalisch härtenden Photopolymersystemen auftretende Nachhärtung der in den jeweiligen UV Farben und –lacken enthaltenen Bindemittel sollte zu ähnlichen Polymerisationsgraden führen.
  • Der Volumenschrumpf sollte für beide Typen von Beschichtungen möglichst gering sein.

Denn mit zunehmendem Volumenschrumpf verringert sich auch die Haftung von UV-härtenden Druckfarben und -lacken auf schwierigen Untergründen.

Für die Bestimmung des Volumenschrumpfs sowie für die Bestimmung der Lichtempfindlichkeit von UV-härtenden Farben und Lacken (an Strahlungsquelle angepasst) entwickelten sie während des Projekts ein reproduzierbares Laborverfahren. Die Empfindlichkeit der Druckfarben auf die Strahlung unterschiedlicher Lichtquellen und auf die in den Druckmaschinen vorhandenen Strahlungsleistungen kann so durch Laborversuche im Vorfeld abgestimmt werden.

Nachhärtung verbessert Haftung

Die Forscher verfolgten außerdem die Härtung nach dem Andruck mittels Infrafortspektrum. Dies zeigte, dass die radikalische Polymerisation zu einer nicht unerheblichen Nachhärtung führt. Eine Prüfung der Haftung unmittelbar nach dem Druckvorgang, wie in der Praxis üblich, sei deshalb nicht in allen Fällen aussagekräftig. Die Forscher empfehlen bei kritischen Produkten, die Prüfungen nach minimal 24 Stunden zu wiederholen.

(mns)

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA)

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