Résumé
L'industrie de la transformation rouleau à rouleau est soumise à une pression constante pour trouver un équilibre entre productivité, efficacité énergétique et conformité réglementaire. Le durcissement UV est depuis longtemps une méthode éprouvée pour la réticulation instantanée des revêtements et des encres, mais les systèmes traditionnels reposent fortement sur les photo-initiateurs et l'inertisation. FREEcure, développé par IST METZ GmbH & Co. KG en collaboration avec BASF SE, représente un changement de paradigme en permettant une polymérisation directe induite par les UVC avec une teneur en photo-initiateurs considérablement réduite, voire éliminée. Cet article examine les principes scientifiques, les innovations technologiques et les avantages industriels du système FREEcure, démontrant son potentiel à redéfinir le durcissement durable en continu.
Le défi : les photo-initiateurs et l'inhibition par l'oxygène
Les systèmes de durcissement UV classiques reposent sur des photo-initiateurs qui absorbent la lumière UV et génèrent des radicaux déclenchant la polymérisation par la conversion des doubles liaisons carbone-carbone (C=C). Cependant, l'inhibition par l'oxygène à la surface du revêtement limite l'efficacité de la réaction, entraînant une réduction de la vitesse de la ligne de production et un durcissement incomplet. Les mesures correctives traditionnelles comprennent l'inertage à l'azote ou l'ajout excessif de photo-initiateurs, deux solutions coûteuses et problématiques sur le plan environnemental. Les restrictions réglementaires et les contraintes d'approvisionnement, notamment dans le cadre du règlement REACH et des restrictions de plus en plus nombreuses sur les niveaux de migration spécifiques (par exemple, l'ordonnance allemande sur les encres et l'ordonnance suisse), ont poussé les industries de l'encre et des revêtements à trouver des alternatives sans photo-initiateurs.
La physique derrière FREEcure
L'équipe de développement d'IST METZ a cherché à déterminer si la polymérisation UV pouvait être obtenue par clivage direct de la liaison, en contournant entièrement les photo-initiateurs. Des calculs théoriques ont indiqué que des énergies photoniques supérieures à 6,15 eV — correspondant à des longueurs d'onde proches de 202 nm — sont suffisantes pour rompre directement la double liaison C=C. L'objectif est donc devenu clair : développer une source UV capable de produire un rayonnement intense autour de 200 nm sans nécessiter d'atmosphère inerte.
Les sources à excimère et à LED ont été évaluées, mais écartées en raison de leur faible profondeur de pénétration, de la formation d'ozone et d'une puissance optique insuffisante. La lampe au mercure à moyenne pression offrait en revanche un spectre UV à large bande commençant vers 200 nm et pouvait être modifiée pour produire davantage d'UVC. Les ingénieurs d'IST METZ ont donc basé le développement du FREEcure sur leur plateforme BLK éprouvée, en décalant le spectre de sortie vers la gamme des UVC à ondes courtes et en augmentant considérablement l'émission en dessous de 220 nm.
Ce résultat a été obtenu grâce à l'optimisation de la technologie plasma, à l'amélioration des matériaux des réflecteurs, à l'utilisation de matériaux de lampe spécialisés et à des systèmes de contrôle électronique perfectionnés. Le système UV ainsi obtenu présente une densité de photons extraordinaire dans la région UVC, idéale pour la coupure directe des doubles liaisons.
De la physique au processus : la chimie du durcissement direct
BASF SE a apporté son expertise en chimie des liants pour évaluer la réactivité aux UVC. Le choix du liant, sa fonctionnalité et la modification par des amines se sont avérés essentiels pour supprimer l’inhibition par l’oxygène et atteindre des taux de conversion élevés. Lors d’analyses FTIR en laboratoire, des taux de conversion supérieurs à 80–90 % ont été atteints sans photo-initiateurs. Des dispersions UV à 100 % et des dispersions UV à base d’eau ont toutes deux été durcies avec succès.
Ce projet de collaboration a ainsi établi un pont entre l'ingénierie des lampes et la formulation chimique, démontrant qu'une synchronisation ciblée entre la matière première et la source lumineuse peut aboutir à des systèmes prêts à l'emploi. Dans de nombreux cas, les revêtements FREEcure ont présenté une résistance chimique, une dureté aux rayures et des niveaux de brillance similaires, voire supérieurs, à ceux des systèmes conventionnels utilisant des concentrations standard de photo-initiateurs.
Mise en œuvre pour la production en continu
Dans les lignes continues de revêtement et d’impression, la vitesse de production, l’encombrement et la configuration de l’installation jouent un rôle important. Avec des formulations adaptées, FREEcure permet des vitesses de polymérisation élevées. Selon l’application, un nombre limité d’unités FREEcure peut suffire, éventuellement complétées par des systèmes LED UV pour répondre à des exigences supplémentaires en matière de polymérisation en profondeur.
Grâce à la puissance UVC élevée, le nombre d’unités UV nécessaires au processus de polymérisation peut être réduit dans les applications adaptées. Cela peut présenter des avantages en termes d’encombrement ainsi que de coûts énergétiques, de maintenance et d’exploitation.
La réduction effectivement réalisable du nombre d’unités et les économies potentielles dépendent notamment de la formulation, de la vitesse de production, de l’épaisseur de couche, du substrat, du degré de polymérisation requis, de la configuration de l’installation et du système de référence concerné.
Point de vue de l'opérateur : « Ça durcit à toute vitesse ! »
Les premiers essais menés auprès d'utilisateurs industriels ont rapidement confirmé la puissance et la fiabilité du système. Lors des premières expériences de durcissement, un opérateur a fait cette remarque restée célèbre : « Ça durcit à toute vitesse ! » — une description tout à fait appropriée pour une technologie offrant des performances exceptionnelles sans recourir aux radicaux des photo-initiateurs. Malgré son ton humoristique, cette phrase traduit bien l'enthousiasme suscité par la polymérisation rapide en surface et la résistance immédiate à la manipulation offertes par FREEcure.
Exigences des procédés modernes d’impression rotative
Avec des formulations adaptées, FREEcure permet une polymérisation UV sans photoinitiateur ou avec une teneur réduite en photoinitiateurs. Cela peut être particulièrement pertinent pour les applications dans lesquelles les photoinitiateurs et leurs produits dérivés doivent être pris en compte comme sources potentielles de migration.
La migration effective et l’adéquation à une application d’emballage spécifique dépendent toutefois de l’ensemble du système comprenant l’encre, le revêtement, le substrat et le procédé.
Selon l’application, FREEcure peut également être utilisé sans inertage. Cela peut simplifier l’intégration du système. La nécessité d’un inertage dépend de la formulation concernée et des exigences du procédé.
Conclusion
FREEcure associe un spectre de lampe riche en UVC à des formulations adaptées, élargissant ainsi les possibilités de la polymérisation UV. Pour les applications appropriées, les revêtements peuvent être polymérisés sans photoinitiateur ou avec une teneur réduite en photoinitiateurs.
Pour les imprimeurs rotatifs, cela ouvre des possibilités supplémentaires en matière de conception du procédé, de nombre d’unités et d’intégration du système. Les avantages pour une ligne de production spécifique doivent être évalués en fonction de l’application et des conditions de procédé concernées.
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