Projekt 22212/01

Neue Oberflächenreiniger auf der Basis von Mikroemulsionen im Bereich Offsetdruck

Projektträger

Bernd Schwegmann GmbH & Co. KG
Wernher-von-Braun-Str. 14
53501 Grafschaft
Telefon: 0 22 25/92 26 30

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das Projekt hatte das Ziel, neuartige Reiniger auf der Basis von Mikroemulsionen zu entwickeln. Mikroemulsionen vereinen die Stoffeigenschaften von Wasser und Öl. Aufgrund der extrem verringerten Grenzflächenspannung zwischen Wasser und Öl besitzen Mikroemulsionen gute Benetzungseigenschaf-ten und sind für Reinigungszwecke besonders geeignet. Mit Hilfe eines neu entwickelten Verfahrens wurde das Ziel verfolgt, unter Einsatz von Polymeradditiven, den Tensidanteil in den neuen Reinigern deutlich zu minimieren. Aufgrund der besonderen Eignung von Mikroemulsionsreinigern ist außerdem anzunehmen, dass der Reinigerverbrauch deutlich geringer sein wird, als bei konventionellen Reinigern. Mit Hilfe der neuen Reinigergeneration auf der Grundlage einer Mikroemulsion wird eine 40-60%ige Reduzierung der üblicherweise erforderlichen organischen Lösungsmittel möglich sein. Der positive Effekt bezüglich Umweltschutz, Arbeitsschutz und Ressourcenschonung wird durch den Einsatz des Verfahrens zur Effizienzsteigerung von Tensiden nochmals verstärkt.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Projekt ist in drei Teilprojekte aufgeteilt. Das erste Teilprojekt diente hauptsächlich dazu, Tensidsysteme zu finden, die sich für den Einsatz in Mikroemulsionsreinigern eignen. In der zweiten und dritten Phase wurde ein am Forschungszentrum Jülich entwickeltes Verfahren eingesetzt, um den Tensidgehalt der Mikroemulsionen mit Hilfe von Polymeradditiven zu minimieren. Bei den im letzten Teilprojekt durchgeführten Arbeiten wurde an der Optimierung der Reinigungsleistung gearbeitet. Zu Beginn steht die Entwicklung einer bei ca. 10 - 40 °C stabilen Mikroemulsion in Verbindung mit Untersuchungen der Reinigerleistung im Vordergrund. Die Reiniger wurden als bikontinuierliche Mikroemulsionen formuliert. Die Basisformulierungen wurden am FZ-Jülich durch Untersuchung des Phasenverhaltens optimiert. Diese Untersuchungen sind in enger Koordination mit den Praxistests geschehen. Ziel war es, die Mikroemulsionsreiniger so zu optimieren, dass sie in ihrer Reinigungsleistung den lösungsmittelbasierenden Reinigern gleichkommen. Diese hängt u. a. vom verwendeten Tensid ab, sie wird andererseits auch durch die Zugabe von Additiven gesteigert, die ihrerseits wiederum die Stabilität der Mikroemulsionen beeinflussen. Als Additive kommen u. a. Fettalkoholethersulfate und Kombinationen aus Fettalkoholpolyalkylenglykolether mit Fettsäureestern als Co-Emulgatoren und Alkylpolyalkylenglykolether als Schaumregulatoren und Gluconate als Builder in der Funktion als Reinigungsverstärker zum Einsatz. Alternativ zu den Fettalkoholethoxylaten können auch Glycerinester als Co-Emulgatoren Verwendung finden. Im Anschluss folgten sofort eine Prüfung der Reinigungsleistung u. bei positiven Ergebnissen unmittelbar Tests in Druckereien.


Ergebnisse und Diskussion

Der Offsetdruck ist das heute dominierende Druckverfahren. Im Offsetdruck fallen kontinuierlich Reini-gungsarbeiten an. Die eingesetzten Reinigungsmittel sind in der Regel Lösungsmittel auf Kohlenwasserstoffbasis. Da die Lösungsmittel beim Reinigungsvorgang weitgehend verdampfen, ist der Vorgang mit erheblichen Umweltbelastungen verbunden. Die Reiniger sind auch hinsichtlich des Arbeitsschutzes nicht unbedenklich aufgrund des Einatmens von Lösungsmitteldämpfen und in Bezug auf die Brandgefahr. Zur Reinigung werden teilweise automatische Reinigungsanlagen eingesetzt, ansonsten erfolgt die Reinigung manuell. Etwa 90 % der im Heatsetdruck eingesetzten Reinigungsmittel sind derzeit leicht flüchtige organische Komponenten (VOC, Dampfdruck > 0,01 kPa / 20°C), die übrigen 10 % sind höher siedende Reinigungsmittel auf Mineralöl- oder Pflanzenölbasis. Laut des Projektberichtes vom Staatlichen Amt für Arbeitsschutz Aachen Reduzierung von Lösemitteln in Offsetdruckereien verwenden 58% der Druckereien Reinigungsprodukte, die brennbare Flüssigkeiten mit Flammpunkt < 21 °C (früher VbF AI) oder im Flammpunktbereich von 21 - 51 °C (früher VbF AII) enthalten. Aufgrund der Brancheninitiative Offsetdruck ist eine Abkehr von Reinigungsmitteln auf Basis niedrig siedender Kohlenwasserstoffe hin zu Hochsiedern zu verzeichnen. Jedoch ist die Reinigungsleistung hochsiedender Kohlenwasserstoffe deutlich geringer, was mit entsprechenden Akzeptanzproblemen verbunden ist. Außerdem ist die Verwendung von Hochsiedern mit dem Nachteil eines höheren Arbeitsaufwandes (Nachwischen) und erhöhter Makulatur (Papierverbrauch) verbunden. Die Gesamtmenge der VOC-Emission der deutschen Druckin-dustrie betrug im Jahre 1999 ca. 53.000 Tonnen. Die Reinigungsmittel, die im Offsetdruck während des Produktionsbetriebs eingesetzt werden, tragen dazu erheblich bei.

Für die Entwicklung der neuen Mikroemulsionsreiniger müssen zwei Aspekte berücksichtigt werden. Erstens muss die Mikroemulsion über einen Temperaturbereich von ca. 10 - 40o C stabil sein. Der zweite Aspekt betrifft die Reinigungsleistung. Es war eine zentrale Aufgabe des Projekts die Mikroemulsionsreiniger so zu optimieren, dass sie in ihrer Reinigungsleistung den lösungsmittelbasierenden Reinigern mindestens gleichkommen. Dabei wurde festgestellt, dass die Reinigungsleistung einerseits vom verwendeten Tensid abhängt, sie wird andererseits auch durch die Zugabe von Additiven gesteigert, die ihrerseits wiederum die Stabilität der Mikroemulsionen beeinflussen. Deshalb wurde im Anschluss an die Entwicklung einer Mikroemulsion diese sofort auf ihre Reinigungsleistung hin getestet, um bei positiven Ergebnissen unmittelbar Tests in Druckereien durchzuführen. Verschiedene Tensidklassen wurden auf ihre Tauglichkeit für den Einsatz in Mikroemulsionsreinigern getestet: Fettalkoholethoxylate, Zuckertenside sowie nichtionisch-ionische Tensidmischungen. Zusätzlich wurden noch Sorbitanester in das Untersuchungsprogramm aufgenommen. Diese Tensidklasse weist ein sehr geringes Gefahrstoffpotential auf und wird weitgehend aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt. Erschwert wurden die Arbeiten da-durch, dass zu Projektbeginn oftmals wenige Informationen über die Anwendbarkeit der verwendeten Tenside vorlagen.

Geplant war, das Verfahren zur Effizienzsteigerung von Tensiden mittels Blockcopolymeren einzusetzen, um so den Tensidanteil in den Mikroemulsionen zu reduzieren. In Abbauversuchen am FZ Jülich erwies sich jedoch das Polymer als extrem resistent gegenüber biologischer Abbaubarkeit. Deshalb wurden alle weiteren Arbeiten zum Einsatz des Blockcopolymers beendet. Stattdessen wurde nach Ersatzstoffen gesucht. Dabei wurde festgestellt, dass sich sehr hydrophile Alkoholethoxylate als gute Alternative zu den Blockcopolymeren erwiesen. Aus der Grundlagenforschung war die effizienzsteigernde Wirkung der neuen Additive unbekannt, sodass dieser Entwicklungsschritt eine Neuerung darstellte. Die neuen Additive weisen gegenüber den Blockcopolymeren mehrere Vorteile auf. Sie sind kommerziell erhältlich und preisgünstiger als die Blockcopolymere. Um die biologische Abbaubarkeit der neuen Additive zu testen, wurde von der Firma Bernd Schwegmann GmbH & Co. KG eine Untersuchung am Institut Fresenius in Auftrag gegeben. Das Ergebnis war überaus positiv. Die Abbaurate betrug über 90%. Das neue Additiv wurde in Kombination mit den erfolgversprechendsten Tensidsystemen getestet. Es konnten dabei Mikroemulsionsreiniger formuliert werden mit Gesamttensidgehalten zwischen 15% und 10%. In einem Fall konnte in einer Formulierung auf Basis von Zuckertensiden die Tensidmenge auf 5% reduziert werden.

Bei den Tests der Reinigereigenschaften stellte sich heraus, dass das Reinigungsverhalten der Mikroemulsionen in mancher Hinsicht grundsätzlich anders ist als bei den Lösungsmittel-Reinigern. So sind Mikroemulsionen oft deutlich viskoser als die extrem niedrig viskosen Lösungsmittelreiniger. Dies führte zu signifikant schlechteren Reinigungsleistungen. Hier war deshalb eine enge Verzahnung der Stabilitätsuntersuchungen und der Reinigertests notwendig, um hinreichend niederviskose Mikroemulsionen zu formulieren. Die Praxistests beinhalteten erste Reinigungstests im Labor, nebst Stabilitätsuntersuchun-gen unter Praxisbedingungen sowie Materialtests. Wurden bei den Praxistests Mängel entdeckt, flossen die Ergebnisse unmittelbar in die vorangehenden Optimierungsschritte ein. Bei positiver Gesamtbeurteilung wurden in Druckereien erste Praxistest direkt an der Maschine durchgeführt. Insbesondere für die Optimierung des Ölanteils in den Reinigern waren sofortige Praxistests zwingend nötig. Einerseits ist die Reduktion des Ölanteils wünschenswert, andererseits wurde aber festgestellt, dass eine zu starke Reduktion die Reinigungswirkung negativ beeinflusst. Die Tests in den Druckereien wurden durch die Firma Bernd Schwegmann Gmbh & Co. KG durchgeführt. Sie wurden in folgenden Druckereien durchgeführt: M. Brimberg Druck- und Verlags GmbH / Aachen, Bonner Zeitungsdruckerei & Verlagsanstalt H. Neusser GmbH / Bonn, Dieter Berghoff Druckerei / Köln, Bonner Universitäts-Buchdruckerei / Bonn und dem Mittelrhein-Verlag GmbH / Koblenz. Zusätzlich wurden umfangreiche Untersuchungen mit Hilfe folgender Waschanlagen-Hersteller durchgeführt: technotrans AG, Oxy-Dry Maschinen GmbH und Baldwin Germany GmbH.

Die besten Ergebnisse hinsichtlich Minimierung des Tensideinsatzes und Optimierung der Reinigungsleistung konnte mit einer Formulierung auf Basis von Zuckertensiden erreicht werden. Das neue, biologisch leicht abbaubare Additiv zur Steigerung der Tensideffizienz war dabei von zentraler Bedeutung. Der Gesamttensidgehalt von Reinigern, die sehr gute Reinigungsleistungen erbrachten, konnte auf 10 % gesenkt werden. In einem Fall konnte sogar ein Tensidgehalt von 5 % erreicht werden, jedoch war die Reinigungsleistung nicht ausreichend. Die tensidischen Komponenten dieser Formulierungen bestehen weitgehend aus nachwachsenden Rohstoffen, verbunden mit sehr geringem Gefahrstoffpotential. Die tensidische Hauptkomponente ist sogar kennzeichnungsfrei und nicht als Gefahrstoff klassifiziert. In den Labortests als auch im Praxiseinsatz zeigte der neue Mikroemulsionsreiniger eine höhere Reinigungswirkung als die konventionellen lösungsmittelbasierten Reiniger. Dadurch verringert sich der Verbrauch pro Reinigungsvorgang. Es erscheint möglich, mit dem neuen Mikroemulsionsreiniger den Lösungsmittelverbrauch zu halbieren. Mit einem Flammpunkt von ca. 100°C liegt der neue Reiniger im Bereich eines Hochsieders. Durch die gute Wassermischbarkeit bis zu 1:10 ergibt sich ein breites Anwendungsspekt-rum.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Über die erzielten Ergebnisse wurde in einem Artikel in Chemische Rundschau (Ausgabe 05/2006) berichtet. Die Firma Bernd Schwegmann GmbH & Co. KG stellte die Neuentwicklung auf der Messe ACHEMA 2006 vor. Am FZ Jülich sind drei wissenschaftliche Veröffentlichungen in Arbeit, die 2006/07 in Fachzeitschriften erscheinen werden. Außerdem sollen die Projektergebnisse im September 2006 in einem Vortrag auf der Konferenz der European Colloid and Interface Society in Budapest vorgestellt wer-den.


Fazit

Im direkten Vergleich mit einem handelsüblichen konventionellen Reiniger für den Offsetdruck weist der Reiniger auf der Basis einer Mikroemulsion deutlich bessere Resultate in seiner Reinigungsleistung auch bei geringerem Produkteinsatz auf. Gemessen an der Farbanlösekraft der Mikroemulsion ist diese um über 30 % effektiver. Das bedeutet für den Anwender, dass dieser eine Verschmutzung 1. schneller und 2. effektiver bei 3. sparsamerem Einsatz an Reinigungsmittel beseitigen kann. Unter extremen Bedingungen, wie z. B. bei Mischungen mit bis zu 10 Teilen Wasser, liegt noch eine stabile Emulsion vor. Letzteres ist besonders in Problemfällen mit starkem Papierstaubaufbau wichtig. Als Konzentrat bzw. in geringer Verdünnung lassen sich selbst stärkere Verschmutzungen durch Druckfarbe beseitigen. Und dies obwohl der Gesamttensidanteil von 25-30 % bei einer handelsüblichen Mikroemulsion auf hier 5-15 % reduziert ist. In der Formulierung der Mikroemulsion wird das mit Hilfe eines Builders, eines Dialkylenglykols als Lösungsverstärkers bei gleichzeitiger Reduktion der Gesamttensidkonzentration durch den innovativen Einsatzes des Polymers erreicht. Hervorzuheben ist der Einsatz von weitestgehend nachwachsenden Rohstoffen bei den tensidischen Komponenten, womit zusätzlich durch den Einsatz biologisch abbaubarer Komponenten die Umweltbelastung stark reduziert werden konnte. Die tensidische Hauptkomponente ist zudem kennzeichnungsfrei und nicht als Gefahrstoff klassifiziert. Die Forderung im Rahmen der europäischen Detergenzien-Verordnung hinsichtlich der biologischen Abbaubarkeit der neuen Additive wird mit einer Abbaurate von über 90 % mehr als erfüllt. Ziele für die Zukunft wären u. a. der Einsatz von Pflanzenölestern in der Formulierung der Mikroemulsion. In Bezug zum Einsatz konventioneller mineralölbasierter Reiniger konnte der Ölanteil um bis zu 60 % reduziert werden. Die Folge ist eine konsequente Verbesserung des Arbeits- und Gesundheitsschutzes durch Reduktion der Lösemittelkonzentration in der Luft am Arbeitsplatz. In der Anwendung zeichnet die Mikroemulsion indes eine, als gut zu beschreibende, Verdunstungsgeschwindigkeit aus, die durchaus mit Lösungsmittelreiniger im Flammpunktbereich von 21 - 51 °C (früher VbF AII) vergleichbar ist. Wässrige Komponenten und Lö-sungsmittel mit hohem Flammpunkt in der Formulierung reduzieren deutlich die Brand- und Explosionsgefahren. Mit einem Flammpunkt von ca. 100 °C ist sie eher in den Bereich Hochsieder einzustufen. Insgesamt ist der Reiniger auf der Basis einer Mikroemulsion kennzeichnungsfrei und frei von leicht flüchti-gen organischen Verbindungen (VOC)!