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Den Nachteilen geht die Luft aus

Das neue BLK-U-Strahlerkonzept von IST Metz: durch Sauerstoffreduzierung bessere Bedingungen für die UV-Härtung
von Dr. Georg Bolte

Seit einiger Zeit wird im Bereich der UV-Härtung von Druckfarben und Lacken über den Einsatz von Inertgasen, insbesondere Stickstoff, diskutiert. Dabei handelt es sich um eine Technologie, die bei der Strahlenhärtung speziell von Silikonbeschichtungen bereits erfolgreich praktiziert wird. Durch die technische Weiterentwicklung konnte die Konstruktion der UV-Strahler mittlerweile so angepasst werden, dass diese Technologie auch allgemeineren oder hochwertigeren Anwendungen im grafischen Bereich gerecht wird. Die IST Metz GmbH, Nürtingen, zeigte beispielsweise zur drupa 2000 das System BLK-U, das für die Härtung in sauerstoffreduzierter Atmosphäre konzipiert ist. Welche Vorteile sich daraus für die Anwendung im UV-Druck ergeben, ist im vorliegenden Beitrag beschrieben. Für die Silikonbeschichtung sind seit einigen Jahren UV-Strahler im Einsatz, die unter sogenannter inerter (sauerstoffreduzierter) Atmosphäre arbeiten. Aufgrund der zur Kühlung benötigten Luftströme wurde die UV-Strahlereinheit bisher üblicherweise mittels einer Quarzglasscheibe von der Materialbahn abgetrennt (siehe Abbildung 1). Diese Trennscheiben haben allerdings den Nachteil, dass sie einen Leistungsverlust von 25 bis 30 % verursachen.

Das von IST Metz entwickelte BLK-U-System wurde so konzipiert, dass auf die Trennscheibe verzichtet werden kann. Die Strahlereffizienz wird dadurch enorm gesteigert. Was ist UV-Härtung unter sauerstoffreduzierten Bedingungen? Wie sich die herkömmliche UV-Härtung von der neuen Technologie der Strahlenhärtung unter sauerstoffreduzierten Bedingungen unterscheidet, lässt sich recht einfach darstellen. Im wesentlichen wird die Atmosphäre in der Umgebung des zu härtenden Materials verändert. Bei der standardmäßigen UV-Härtung findet die Reaktion in einer Atmosphäre statt, die - ca. 20 % Sauerstoff, - ca. 79 % Stickstoff, - Ozon und - Luftfeuchtigkeit enthält. Bei der Härtung unter sauerstoffreduzierten Bedingungen wird Stickstoff zugeführt, so dass der Prozess in einer Atmosphäre abläuft, die sich aus - weniger als 1 % Sauerstoff und - mehr als 99 % Stickstoff zusammensetzt, die außerdem - kein Ozon enthält und - trocken ist. Welcher Restgehalt an Sauerstoff eingesetzt wird, ist von den eingesetzten UV-Materialien abhängig. Im Gegensatz zur bekannten UV-Härtung von Silikonschichten unter inerten Bedingungen, d.h. einem Sauerstoffanteil von weniger als 50 ppm, ist bei anderen Materialien bereits ein deutlicher Effekt bei Restsauerstoffwerten unter 10 000 ppm erkennbar.

Logischerweise verringert sich dadurch die benötigte Menge an Inertgas, was die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens positiv beeinflusst. Die Veränderung der Umgebung hat beträchtliche Auswirkungen auf die Reaktionsabläufe. Sauerstoffmoleküle sind im Normalfall sowohl im gasförmigen Sauerstoff als auch im Ozon und anteilig in der Luftfeuchtigkeit vorhanden. Sie reagieren extrem schnell mit den in UV-Lacken, UV-Farben und UV-Klebern enthaltenen Fotoinitiatoren und Bindemitteln. Bei einer UV-Belichtung führt dies teilweise zu unvollständigen Vernetzungen (siehe Abbildung 2a). Die Folge sind relativ kurze Molekülketten und Molekülbruchstücke. Nur durch eine Überdosierung mit Fotoinitiatoren und sogenannten Sauerstoff-Fängern bzw. Koinitiatioren kann eine ausreichende Vernetzung gelingen. Werden aber Luftfeuchte und Sauerstoff aus der Umgebung verdrängt oder auch nur stark reduziert, können die Materialien ungehindert vernetzen (siehe Abbildung 2b). Die so erzielbare Produktqualität wird wesentlich verbessert. Gleichzeitig kann der Anteil der Fotoinitiatoren deutlich reduziert werden, was den Spielraum für die Rezeptierung beispielsweise von UV-Flexodruckfarben wesentlich vergrößert. Fotoinitiatoren sind ebenfalls sehr stark für die Schrumpfneigung verantwortlich. Wird der Anteil von Fotoinitiatoren beispielsweise von ca. 10 % auf 1 % verringert, geht der Materialschrumpf dadurch erheblich zurück. Neue Lösung mit Sauerstoffreduktion Der UV-Spezialist IST Metz hat während der drupa 2000 erstmals sein neues Strahlerkonzept BLK-U präsentiert (Abbildung 3). Das System stellt eine konsequente Weiterentwicklung des bekannten BLK-Strahlers dar.

Die wichtigsten Merkmale, die mit dem BLK-U-Konzept erreicht wurden, sind nachfolgend kurz aufgezählt. - Weil auf die Trennung von UV-Strahlerraum und Substratoberfläche mittels Quarzglasscheibe verzichtet werden kann, trifft die UV-Strahlung ungehindert auf dem zu härtenden Medium auf. Im Vergleich zu Anlagenkonzepten mit Quarzglasscheibe erhöht sich die Strahlenausbeute erheblich. - Das System besitzt eine komplette Wasserkühlung, so dass keine Luftabsaugung erforderlich ist und kein Ozon entstehen kann. - Durch das Einleiten von Stickstoff wird die Ozonbildung verhindert und eine trockene Atmosphäre gewährleistet. - Der Wärmetauscher, über den der Stickstoff abgekühlt wird, sowie die Filtereinheit, die zur Reinhaltung der inneren Strahlerbereiche wie Reflektor und Röhre dient, sind im Strahlergehäuse integriert. Aufgrund der internen Umwälzung ist keine zusätzliche Verrohrung erforderlich. Die laufende Filterung der Atmosphäre wirkt sich positiv auf die Standzeit von UV-Lampen und Reflektoren aus. Insbesondere die Entscheidung, die Stickstoff-Umwälzung im Strahlergehäuse anstatt - wie bisher üblich - in einer kompletten Umgebungsbox (siehe Abbildung 4) unterzubringen, bewirkt eine drastische Reduzierung bei der Baugröße der Strahleraggregate. Dadurch eröffnen sich neue Möglichkeiten für den Einbau dieser Technologie in zahlreiche Druckmaschinensysteme. Die Sauerstoffreduzierung bietet vielfältige Chancen Wenn die UV-Härtung unter sauerstoffreduzierter Atmosphäre erfolgt, ergeben sich daraus vielschichtige Konsequenzen für den Prozess und die eingesetzten Materialien.

Die Möglichkeiten, in die UV-Technologie einzugreifen, beginnen bei der Rezeptierung der strahlenhärtenden Farben, Lacken und Klebern. Der geringere Anteil an Fotoinitiatoren gibt neuen Spielraum frei für Bindemittel, Pigmente und Additive. Das ermöglicht neue Eigenschaftsprofile, die hinsichtlich Härtungsschrumpf, Substrathaftung, Geruch usw. deutlich besser abschneiden als traditionelle Rezeptierungen. Während die bereits erwähnte UV-Härtung für die Silikonisierung unter Inertgasbedingungen (Sauerstoffanteil unter 50 ppm) geschieht, hat IST Metz in seinem Technikum in Nürtingen die Auswirkungen bei unterschiedlichen Restsauerstoffanteilen näher untersucht. Zusammen mit Anwendern und Unternehmen aus der Farb- und Rohstoffindustrie fanden zahlreiche Untersuchungen über ein sehr breites Spektrum an verschiedenen Einstellungen beim Restsauerstoffgehalt statt. Dabei waren positive Effekte für die Aushärtung bereits deutlich erkennbar, wenn die Werte auf unter 5 % (50 000 ppm) Sauerstoff gesenkt wurden.

Sobald geringere Reinheitsstufen akzeptabel sind, kann der Verbrauch von Stickstoff spürbar reduziert werden. Wird der Restsauerstoffgehalt bei der UV-Belichtung optimal auf die beiden Komponenten Rezeptur und Strahlereinstellung abgestimmt, lässt sich die Struktur der Verbrauchskosten gravierend verbessern. Versuche belegen die Wirksamkeit dieser Technologie Welche Möglichkeiten sich für die Rezeptierung von UV-härtenden Produkten ergeben, soll das folgende Beispiel aus dem Bereich der UV-Lackierung aufzeigen. Ausgangspunkt für die beschriebenen Versuche war ein in der Praxis eingesetztes UV-Lacksystem. Mittels einer Verfärbungsreaktion von Kaliumpermanganat, die nicht vernetzte Lackbestandteile sichtbar machte, wurde der Vernetzungsgrad bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten, jedoch konstanter Lampenleistung, ermittelt. Die Ergebnisse sind in der Abbildung 5 dargestellt. Beispielsweise bestätigte sich der erwartete Effekt, dass sich die Vernetzung bei höheren Geschwindigkeiten zunehmend verschlechtert. Der relative Vernetzungsgrad ging von 64 % bei 60 m/min auf nur noch 42 % bei 200 m/min zurück. Für diesen Versuch enthielt der UV-Lack einen Anteil an Fotoinitiatoren (FI) von 8 %. Dieser Anteil wurde für eine weitere Versuchsreihe auf 2 % reduziert. Wie drastisch der Vernetzungsgrad dadurch absinkt, ist in der Grafik bei der Geschwindigkeit von 100 m/min markiert. Wird der Sauerstoffanteil in der Umgebung des zu härtenden Mediums allerdings auf den Wert von 0,5 % verringert, lässt sich die Vernetzungsqualität bei 100 m/min auf über 80 % anheben. Bei 200 m/min liegt der relative Vernetzungsgrad immer noch knapp unter 80 %. Selbst wenn der Anteil der Fotoinitiatoren erneut verringert wird, so dass er nur noch 0,8 % beträgt, bleiben die Werte weit oberhalb der unter Raumluftbedingungen ermittelten Vernetzungsgrade. Weiteres Potential zur Optimierung steckt zudem im Anteil der Amine, die als sogenannte "Sauerstoff-Fänger" eingesetzt werden.

Wird ihre Konzentration auf ein Zehntel ihrer ursprünglichen Menge zurückgenommen, kann damit die Vernetzungsqualität zusätzlich positiv beeinflusst werden. Schrittweise zum wirtschaftlichen Einsatz In der Abbildung 6 ist dokumentiert, wie sich unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen und die jeweilige Rezeptierung auf den Vernetzungsgrad auswirken. Ausgangspunkt ist ein Standard-UV-Lack, dessen Fotoinitiatoranteil in einem ersten Schritt von 8 % auf 2 % reduziert wird. Die Härtung findet in beiden Fällen bei 100 m/min und unter Raumluft statt. Die deutlich sichtbare Qualitätseinbuße bei der Vernetzung kann mehr als Wett gemacht werden, wenn im Schritt 2 der übliche Sauerstoffanteil der Atmosphäre von rund 20 % auf 1,0 % verringert wird. Im Bereich zwischen 1,0 % und 0,1 % Sauerstoffkonzentration kann schließlich im dritten Schritt eine Feinabstimmung des Fotoinitiatoranteils und der eingesetzten Menge an Aminen erfolgen. Durch die Gegenüberstellung der Materialeinsätze von Stickstoff, Fotoinitiator, Amin, usw. lassen sich entsprechende Vernetzungsgrade unter Beachtung der Wirtschaftlichkeit einstellen. Technik zur Bereitstellung des Stickstoff Zur Bereitstellung des Stickstoffs, das bei der UV-Härtung unter sauerstoffreduzierter Atmosphäre als Inertgas dient, gibt es zwei Alternativen: die Aufstellung eines Stickstoff-Tanks (Abbildung 7) und der Einsatz eines Stickstoff-Generators. Die Entscheidung sollte vor allem in Abhängigkeit vom jeweils notwendigen Restsauerstoffgehalt getroffen werden. Im Zusammenhang mit einem Stickstoff-Tank sind folgende Aspekte für die Wirtschaftlichkeit zu berücksichtigen: - Fassungsvermögen des Tanks in Kubikmeter, - Verbrauchsmenge, - Qualitätsstufe und - Häufigkeit der Anlieferung im Tankwagen. Bei der Überlegung, in einen Stickstoff-Generator zu investieren sollten folgende Überlegungen eine Rolle spielen: - Leistung in Kubikmeter pro Stunde, - Verbrauch in Kubikmeter pro Stunde, - angestrebte Qualitätsstufe, z.B. 95,0 bis 99,999 % Stickstoffanteil. Insbesondere bei Qualitätseinstufungen mit einem Gehalt von 0,5 % bis 1,0 % Restsauerstoff sind Berechnungen über Investitions- und Verbrauchskosten eines Generatoreinsatzes anzustellen. Hier kann es unter Umständen wirtschaftlich durchaus sinnvoll sein, den Stickstoff selbst zu erzeugen. Anwender, die an einer genaueren Analyse der Rahmenbedingungen interessiert sind, können sich von den Experten der Firma IST Metz eingehend beraten lassen. Einsatzschwerpunkte der neuen Entwicklung Als Fazit lassen sich für die UV-Härtung unter sauerstoffreduzierten Bedingungen vor allem folgende Vorteile festhalten: - höhere Produktionsgeschwindigkeiten, - Kosteneinsparungen, - Qualitätssteigerungen und - Geruchsreduzierung. Damit drängen sich insbesondere Einsatzgebiete auf wie - Verpackungsherstellung (vor allem für Lebensmittelverpackungen aus Materialien wie Folien, Papier, Karton, Aluminiumfolie, Weissblech), - Möbelindustrie (Dekorfolien, Holzbeschichtungen, Laminate) sowie - Metallbeschichtungen. Im Gegensatz zu den genannten Anwendungsfeldern sind aber solche Bereiche derzeit als problematisch anzusehen, wo sehr aufwändige Kapselungen des UV-Strahlerbereichs notwendig sind.

Hier sind die Beschichtung von dreidimensionalen Teilen oder der Bogentransport im Bogenoffsetdruck zu nennen. Der UV-Härtung unter sauerstoffreduzierter Atmosphäre sagen viele Experten einen breiten Einsatz in der Praxis voraus. Momentan steht diese Entwicklung erst am Anfang ihrer Möglichkeiten. Nachdem zahlreiche Versuche in jüngster Zeit deutlich gezeigt haben, dass auch eine geringere Reduzierung des Restsauerstoffgehaltes als bisher angenommen zu sehr guten Ergebnissen führt, muss möglichst schnell ein intensiver Erfahrungsaustausch zwischen allen am Verfahren beteiligten Seiten erfolgen. Die Diskussion sollten vor allem - Anlagenhersteller (Anlagen zur Beschichtung, UV-Bestrahlung, Stickstoffdosierung), - Hersteller von UV-härtenden Produkten (Farben, Lacke, Kleber) und - Anwender führen. Erst durch die intensive Zusammenarbeit der genannten Gruppen lässt sich die neue Technologie zum Vorteil aller Partner anwenden. Die IST Metz GmbH propagiert deshalb dafür, den offen Erfahrungsaustausch zwischen den verschiedenen Interessensgruppen möglichst kurzfristig aufzunehmen.

Bei herkömmlichen UV-Systemen, die für den Einsatz von Inertgas vorgesehen sind, trennt eine Quarzglasscheibe die Strahlereinheit von der Materialbahn ab.


Sauerstoffmoleküle in der Atmosphäre reagieren zum Teil schneller mit offenen Bindungen als diese untereinander, so dass der Polymerisationsprozess dadurch stellenweise abgebrochen wird (Sauerstoff O2, Ozon O3, Luftfeuchte H2O, Stickstoff N2).


Bei der UV-Härtung unter sauerstoffreduzierten Bedingungen wird der Sauerstoffanteil in der Atmosphäre soweit durch Stickstoff (N2) ersetzt, dass die Polymerisation ungehindert ablaufen kann.


Der UV-Spezialist IST Metz hat während der drupa 2000 erstmals sein neues Strahlerkonzept BLK-U für die UV-Härtung unter sauerstoffreduzierten Bedingungen präsentiert.


Die bisher übliche Stickstoff-Umwälzung in einer kompletten Umgebungsbox benötigt viel Platz und erschwert so die Installation in vielen Druckmaschinensystemen.


Die Reduzierung des Sauerstoffanteils in der Atmosphäre beeinflusst den relativen Vernetzungsgrad bei der UV-Härtung deutlich.


Auswirkung von unterschiedlichen Lackrezeptierungen bei variablen Sauerstoffkonzentrationen. Alle Versuche wurden bei konstanter Geschwindigkeit (100 m/min) und gleicher Leistung (200 W/cm) durchgeführt.


Ein Stickstoff-Tank ist die optimale Lösung, wenn größere Mengen Inertgas benötigt werden. Bei geringerem Verbrauch können Flaschenbündel oder Luftzerlegeranlagen eine sinnvolle Alternative sein.