Projekt 24602/01

Entwicklung eines Verfahrens zur Optimierung der Abstimmung von Strahlerleistung und Empfindlichkeit von UV-härtenden Druckfarben

Projektträger

Epple Druckfarben AG
Gutenbergstr. 5
86356 Neusäß
Telefon: 0821/4603118

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist es, den Druck mit UV-härtenden Druckfarben so zu optimieren, dass die Drucker in der Lage sind, Druckprodukte herzustellen, die trotz sparsamen Energieeinsatzes sicher ausgehärtet sind.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEine sehr gute Möglichkeit, das Verhalten von Druckfarben auf die Trocknung von UV-Farben auch den Beschäftigten von Druckereibetrieben transparent zu machen, liegt darin, die Druckfarben mit einer durch Zahlen von 1 bis 8 repräsentierten Lichtempfindlichkeitsskala zu versehen. Mit Hilfe dieser Kenngröße können sie in einer einmaligen Versuchsreihe die minimal notwendige Energiezufuhr in der von ihnen benutzten Druckmaschine ermitteln und fortan mit deutlich geringerem Energieeinsatz arbeiten.

Im vorliegenden Projekt soll untersucht werden, ob es möglich ist, eine solche Empfindlichkeitsskala aufzustellen. Die dazu notwendigen Schritte sind:
Entwicklung und Optimierung einer Apparatur zur Messung der Empfindlichkeit der
Druckfarben
Untersuchungen zum Einfluss verschiedener Typen von Photoinitiatoren auf die
Messergebnisse zur Empfindlichkeitsskalierung
Untersuchungen zum Einfluss verschiedener Typen strahlenhärtender Monomere auf die
Messergebnisse zur Empfindlichkeitsskalierung
Ableitung einer allgemein anwendbaren Empfindlichkeitsskalierung aus den Untersuchungen
der Photoinitiatoren und Monomere
Untersuchung kommerzieller Druckfarben des Marktes und Einordnung dieser Farben in die
entwickelte Empfindlichkeitsskalierung
Prüfung der Anwendbarkeit dieser Empfindlichkeitsskalierung durch Druckversuche an einer
Druckmaschine


Ergebnisse und Diskussion

Die auf dem Markt befindlichen UV-Druckfarben zeigen deutliche Unterschiede in der Lichtempfindlichkeit. Eine Normierung dieser Lichtempfindlichkeit kann zur verbesserten Steuerung des Härtungsvorganges und damit zu deutlichen Energieeinsparungen führen. In der vorliegenden Untersuchung war deshalb geplant, eine Maßzahl für diese Lichtempfindlichkeit analog zur photographischen Empfindlichkeit von Filmmaterialien für die Photographie zu definieren.
Im Verlauf der Untersuchungen zeigten sich eine Reihe von unerwarteten Effekten, die das Definieren dieser Maßzahl massiv erschwerten:
1. Die als Untersuchungsverfahren zur Härtungskontrolle vorgesehene ATR-Infrarotspektroskopie
(IR) ergab keine Korrelation zu anderen analytischen Verfahren zur Härtungskontrolle.
2. Das als Alternative zur Infrarotspektroskopie vorgesehene Untersuchungsverfahren, die
Hochleistungs-Flüssigchromatographie (HPLC), hatte eine im Vergleich deutlich schlechtere
Reproduzierbarkeit und zeigte die Differenzen in der Reaktionsgeschwindigkeit, welche die
Maßzahl für die der Lichtempfindlichkeit zugrundeliegende Größe ist, mit geringerer
Differenzierung an als die anderen Untersuchungsverfahren.
3. Nachdem die beiden ursprünglich geplanten Verfahren zur Festlegung einer Maßzahl für die
Lichtempfindlichkeit (IR und HPLC) sich als ungeeignet herauskristallisiert hatten, wurde die
Untersuchung mit der Differential Scanning Calorimetrie (DSC) um eine neue
Untersuchungsmethode erweitert. Die DSC erscheint prinzipiell geeignet zu sein, das zur
Verfügung stehende Messgerät hatte allerdings für eine Standardisierung mit einer
Einbeziehung von verschiedenen, räumlich getrennten Labors zu viele unkalkulierbare
Einflussgrößen.
4. Gedruckte Farbschichten verändern sich überraschend stark in Abhängigkeit von der
Lagerungszeit. Eine Recherche ergab, dass ähnliche Beobachtungen auch bei der Untersuchung
von UV-Lacken in einem anderen Institut gemacht worden sind.

Bei der Photographie kann man durch das Festlegen einer definierten Schwärzung der entwickelten photographischen Schicht auf eine weitgehend stabile Verfahrensgröße für die Detektion unterschiedlicher Belichtungsstufen in einem Sensitometer zurückgreifen. Diese Verfahrensgröße konnte für die UV-Härtung von Druckfarben überraschenderweise weder durch die Anwendung der ATR-Infrarotspektroskopie noch mittels der Hochleistungs-Flüssigchromatographie in vergleichbarer Prozesssicherheit gefunden werden. Die als Alternativmethode untersuchte Differential Scanning Calorimetrie (DSC) könnte dazu geeignet sein. Bevor dieses Verfahren bzw. deren Messwerte für die Praxis empfohlen werden können, sind noch eine Reihe von Optimierungen bzw. zusätzlichen Untersuchungen notwendig, die weit über den geplanten Projektumfang hinausgehen und deshalb nicht gelöst werden konnten.
Vor einer Praxistauglichkeit des Verfahrens sind die folgenden weiteren grundlegenden Untersuchungen bzw. apparativen Optimierungen notwendig:
1. Es ist zu klären, welche Vorgänge bei der Probenlagerung auftreten, um exakte Vorgaben für
eine Standardisierung machen zu können.
2. Die Probenvorbereitung für die DSC ist in Abhängigkeit von den Lagerungseffekten zu
optimieren.
3. Der Einfluss der unterschiedlichen Anzahl reaktiver Gruppen in den Monomeren bzw.
Präpolymeren der Druckfarben auf die kalorischen Messwerte ist zu untersuchen.
4. Die Konstruktion des Kalorimeters ist zu optimieren. Voruntersuchungen zeigen, dass
wahrscheinlich ein auf dem Markt befindliches Grundgerät (Fa. Netzsch) durch geringe
Modifikationen angepasst werden kann.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse sind auf dem Anwenderforum UV-Druck der Fogra im Oktober 2008 vorgetragen worden. Im Anschluss daran fanden intensive Diskussionen mit den Druckfarbenherstellern statt.


Fazit

Als Resultat dieser Diskussionen mit den Druckfarben-, Strahler- und Druckmaschinenherstellern wurde im Frühjahr 2009 von der Fogra ein Förderantrag bei der AiF gestellt. In den darin geplanten Arbeiten sind die Klärung der nach dem Abschluss des Projektes noch offenen Punkte und die Tests zur Praxistauglichkeit der Resultate an Produktionsmaschinen vorgesehen.