UV-LED- statt Quecksilber-Mitteldruckstrahler für UV-Härtung von Druckfarben

Mediendienst Mai 2015 / 18.5.2015

UV-LEDs sind ozonfrei, ihr Energieverbrauch liegt bis zu 90 Prozent unter dem von Quecksilber-(Hg-)Mitteldruckstrahlern und sie haben eine höhere Lebensdauer als diese. Wie sich die Hg- bzw. LED-Strahlertechnologie auf die UV-Härtung von Druckfarben und deren Haftung auf schwierigen Untergründen auswirken, hat das Fraunhofer IPA gemeinsam mit der Fogra Forschungsgesellschaft Druck e. V. untersucht.

Großformatdrucke im Außenbereich für Werbung, der Druck von Geldscheinen, Scheckkarten und der Verpackungsdruck für Kosmetika, Arzneimittel und Lebensmittel sind typische Anwendungen UV-härtender Druckfarben. Die Bedruckung von Kunststofffolien bzw. Tuben, Dosen oder Bechern ist ein weiterer Markt. Die Verwendung UV-härtender Druckfarben hat in den letzten Jahren deutlich zugenommen und wird weiter steigen.

Ein Nachteil der UV-Härtung ist neben den höheren Kosten für die UV-Druckfarben vor allem der Energieverbrauch der praxisüblichen Quecksilber (Hg)-Mitteldruckstrahler. Eine typische Offsetdruckmaschine hat drei End- und Zwischentrockner und benötigt für deren Betrieb ungefähr 500 000 kWh pro Jahr. Der Ersatz der Hg-Mitteldruckstrahler durch energiesparendere UV-LED-Strahler (Light Emitting Diode) könnte zu merklichen Energie- und Kosteneinsparungen führen. Nach Herstellerangaben liegt der Energiebedarf von LED-Strahlern 70 bis 90 Prozent unter dem herkömmlicher Hg-Strahler. UV-LED-Strahler sind zudem ozonfrei, was die Kosten für Ab- und Zuluft stark vermindert. Sie haben eine höhere Lebensdauer und erlauben ein schnelles An- bzw. Ausschalten ohne Aufwärmphase. Damit entstehen keine Energiekosten im Standby-Betrieb. Der Einführung dieser Technologie stehen gegenwärtig die deutlich höheren Kosten für die UV-LEDs entgegen. Außerdem sind LED-geeignete Druckfarben noch Mangelware.

Haftung verringert sich mit zunehmendem Volumenschrumpf

In dem gemeinsam vom Fraunhofer IPA und der Fogra Forschungsgesellschaft Druck e.V., München, durchgeführten Forschungsvorhaben wurde untersucht, wie sich die Quecksilber- bzw. LED-Strahlertechnologie auf die UV-Härtung von Druckfarben sowie deren Haftung auf schwierigen Untergründen auswirken.

Die Untersuchungen führten zu folgenden Ergebnissen: Die Haftung von UV-härtenden Druckfarben und -lacken auf schwierigen Untergründen verringert sich mit zunehmendem Volumenschrumpf der ausgehärteten Druckfarben oder Lacke. Für die Bestimmung des Volumenschrumpfs sowie für die an die jeweilige Strahlungsquelle angepasste Bestimmung der Lichtempfindlichkeit von UV-härtenden Farben und Lacken ist im Projekt ein gut reproduzierbares Laborverfahren entwickelt und optimiert worden. Die Empfindlichkeit der Druckfarben auf die Strahlungscharakteristik der jeweiligen Lichtquelle und auf die in den Druckmaschinen vorhandenen Strahlungsleistungen kann dabei durchLaborversuche im Vorfeld abgestimmt werden.

Bei geringem Volumenschrumpf spielt der Strahlertyp keine Rolle

Druckfarben mit geringem Volumenschrumpf und einer mit dem vorgeschlagenen Verfahren an die Strahlungsquelle angepassten Lichtempfindlichkeit können unabhängig von dem zur Aushärtung benutzten Strahlertyp auf kritischen Untergründen haften. Eventuelle Unterschiede in der Haftung zwischen verschiedenen Farben und Lacken sind im Wesentlichen auf die zur Formulierung verwendeten Präpolymere und Reaktivverdünner zurückzuführen und nicht auf die zur Härtung verwendete Strahlungsquelle.

Nachhärtung verbessert Haftung

Die Verfolgung der Härtungsreaktion im Infrarotspektrum nach dem Andruck mit definierten Lichtmengen hat darüber hinaus gezeigt, dass auch die radikalische Polymerisation zu einer nicht unerheblichen Nachhärtung führt. Diese Nachreaktion kann die Haftung verbessern. Eine Prüfung der Haftung unmittelbar nach dem Druckvorgang, wie in der Praxis üblich, ist deshalb nicht in allen Fällen aussagekräftig. Bei kritischen Produkten sollten die Prüfungen nach minimal 24 Stunden wiederholt werden.

Die Ergebnisse wurden unter Federführung der Fogra Forschungsgesellschaft Druck e. V. zusammen mit dem Fraunhofer IPA im Rahmen des  AiF-Forschungsvorhabens 423 ZN erarbeitet. Die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen »Otto von Guericke« e.V., kurz AiF, ist die führende nationale Organisation zur Förderung angewandter Forschung und Entwicklung für den Mittelstand. Ihr Netzwerk von 100 industriellen Forschungsvereinigungen aus allen Branchen, Industrie und Dienstleistern, zählt 50 000 angeschlossene Unternehmen.