Die UV-Direktvernetzung eröffnet die Möglichkeit, geeignete Lack-, Farb- und Beschichtungssysteme ohne Photoinitiatoren oder mit einem reduzierten Photoinitiatoranteil zu härten. Entscheidend dafür ist der gezielte Einsatz kurzwelliger, energiereicher UV-Strahlung.
In Kombination mit einer darauf abgestimmten Formulierung kann die Strahlung photochemische Vernetzungsreaktionen direkt unterstützen. Ob eine vollständig photoinitiatorfreie Härtung möglich ist, hängt von der eingesetzten Formulierung, dem Substrat und den jeweiligen Prozessbedingungen ab.
Bei der klassischen radikalischen UV-Härtung absorbieren Photoinitiatoren UV-Strahlung und bilden Radikale. Diese initiieren die Polymerisation der reaktiven Bestandteile und damit die Vernetzung der Beschichtung.
Die UV-Direktvernetzung verfolgt einen anderen Ansatz: Kurzwelliges, energiereiches UV-Licht kann bei geeigneten Formulierungen photochemische Reaktionen direkt auslösen und so eine Vernetzung ohne Photoinitiatoren beziehungsweise mit einem reduzierten Photoinitiatoranteil ermöglichen.
Ob und in welchem Umfang dies möglich ist, hängt von der jeweiligen Formulierung und den Prozessbedingungen ab. Strahlungsspektrum, UV-Dosis und weitere Prozessparameter müssen daher gezielt auf die Anwendung abgestimmt werden.
Die Wirkung von UV-Strahlung auf eine Beschichtung hängt wesentlich von ihrer Wellenlänge ab. Langwelligere UVA-Strahlung besitzt eine vergleichsweise hohe Eindringtiefe und spielt daher insbesondere für die Vernetzung tieferer Schichten eine wichtige Rolle.
Kurzwelligere UV-Strahlung wird dagegen stärker im oberflächennahen Bereich absorbiert. Gleichzeitig besitzen die Photonen bei kürzeren Wellenlängen eine höhere Energie. Diese Eigenschaften machen den UVC-Spektralbereich für bestimmte photochemische Vernetzungsprozesse besonders interessant.
Welche spektrale Verteilung für eine Anwendung geeignet ist, hängt jedoch wesentlich von der jeweiligen Formulierung und den gewünschten Eigenschaften der Beschichtung ab.
Photoinitiatoren übernehmen bei der klassischen radikalischen UV-Härtung eine zentrale Funktion: Sie absorbieren UV-Strahlung und bilden Radikale, die die Polymerisation der reaktiven Bestandteile initiieren.
An der Oberfläche kann Sauerstoff aus der Umgebungsluft mit diesen Radikalen reagieren und dadurch die Polymerisation hemmen. Diese sogenannte Sauerstoffinhibierung kann zu einer unzureichenden Oberflächenhärtung führen und die gewünschten Eigenschaften der Beschichtung beeinträchtigen.
Für eine zuverlässige UV-Härtung müssen daher die Formulierung, das eingesetzte UV-Spektrum und die Prozessbedingungen aufeinander abgestimmt werden. Dies gilt insbesondere für photoinitiatorfreie oder photoinitiatorreduzierte Systeme, bei denen die Zusammensetzung und Reaktivität der Formulierung eine entscheidende Rolle spielen.
Nicht jede UV-härtende Formulierung lässt sich ohne Photoinitiatoren verarbeiten. Für eine erfolgreiche UV-Direktvernetzung müssen Strahlungsquelle, Formulierung und Produktionsprozess als Gesamtsystem betrachtet werden.
Wichtige Einflussgrößen sind unter anderem:
Bei wässrigen UV-Systemen kommt zusätzlich die physikalische Trocknung beziehungsweise Entfernung des Wasseranteils vor der eigentlichen UV-Vernetzung hinzu.
Bei geeigneten Formulierungen und Prozessbedingungen kann die UV-Direktvernetzung verschiedene technologische und wirtschaftliche Potenziale bieten:
Welche dieser Potenziale in einer konkreten Anwendung realisiert werden können, muss anhand der jeweiligen Formulierung und Prozessbedingungen bewertet werden.
Auch in der LED-UV-Technologie rücken kürzere Wellenlängen zunehmend in den Fokus. Während industrielle UV-LED-Systeme derzeit überwiegend im UVA-Bereich arbeiten, könnten UVC-LEDs in Zukunft zusätzliche Möglichkeiten für die gezielte Oberflächenhärtung eröffnen.
UVA-Strahlung kann vergleichsweise tief in Beschichtungen eindringen, während UVC-Strahlung stärker in der Nähe der Oberfläche absorbiert wird. Langfristig könnte daher die Kombination verschiedener Wellenlängen von besonderem Interesse sein, um Tiefen- und Oberflächenhärtung gezielt aufeinander abzustimmen.
Allerdings haben UVC-LEDs noch nicht den Reifegrad und die Leistungsfähigkeit etablierter UVA-LED-Systeme erreicht. Zudem hängt die Eignung bestimmter Wellenlängen und Kombinationen stark von der jeweiligen Rezeptur und Anwendung ab.
Blogbeitrag: UVC-LEDs in der UV-Härtung: aktueller Stand und Potenzial
Mit FREEcure bietet IST METZ eine UV-Systemlösung für die photoinitiatorfreie beziehungsweise photoinitiatorreduzierte UV-Härtung geeigneter Formulierungen.
FREEcure nutzt eine speziell ausgelegte UV-Mitteldrucklampe mit erhöhtem Anteil kurzwelliger UV-Strahlung. Das Strahlungsspektrum ist darauf ausgelegt, die für die Direktvernetzung relevanten photochemischen Prozesse zu unterstützen.
Damit kann FREEcure sowohl für entsprechend formulierte 100-%-UV-Systeme als auch für wässrige UV-Systeme eingesetzt werden. Ob vollständig auf Photoinitiatoren verzichtet werden kann oder deren Anteil reduziert wird, hängt von der jeweiligen Anwendung und Formulierung ab.
