Samenvatting
De rotatiedruk staat voor de uitdaging om productiviteit, energiegebruik en naleving van wettelijke eisen met elkaar in evenwicht te brengen. UV-uitharding is al lange tijd een beproefde methode voor de snelle vernetting van coatings en drukinkten. Conventionele UV-formuleringen werken doorgaans met fotoinitiatoren; afhankelijk van de toepassing kan daarnaast inertisering worden toegepast. FREEcure, ontwikkeld door IST METZ GmbH & Co. KG in samenwerking met BASF SE, maakt gebruik van een hoog UVC-aandeel om de directe initiatie van de polymerisatie te ondersteunen. Hierdoor kunnen geschikte formuleringen, afhankelijk van de toepassing, met een lager fotoinitiatorgehalte of zonder fotoinitiatoren worden uitgehard.
Dit artikel belicht de wetenschappelijke basis, de technologische ontwikkeling en de industriële toepassingsmogelijkheden van FREEcure en laat het potentieel van de technologie zien voor UV-uithardingsprocessen met minder of zonder fotoinitiatoren in de rotatiedruk.
De uitdaging: foto-initiatoren en zuurstofremming
Conventionele UV-uithardingssystemen zijn afhankelijk van foto-initiatoren om UV-licht te absorberen en radicalen te genereren die de polymerisatie op gang brengen door koolstof-koolstof dubbele bindingen (C=C) om te zetten. Zuurstofremming aan het oppervlak van de coating beperkt echter de reactie-efficiëntie, wat leidt tot lagere lijnsnelheden en onvolledige uitharding. Tot de conventionele tegenmaatregelen behoren inertisering met stikstof of het gebruik van hogere concentraties fotoinitiatoren – beide kunnen gepaard gaan met extra materiaalgebruik en kosten. Regelgevende beperkingen en leveringsbeperkingen, met name onder REACH en steeds meer beperkingen op specifieke migratieniveaus, zoals de Duitse inktverordening en de Zwitserse verordening, hebben de inkt- en coatingindustrieën verder uitgedaagd om alternatieven zonder foto-initiatoren te vinden.
De fysica achter FREEcure
Het ontwikkelingsteam van IST METZ onderzocht of UV-polymerisatie kon worden bereikt door directe bindingsbreuk, waarbij foto-initiatoren volledig werden omzeild. Theoretische berekeningen gaven aan dat fotonenergieën van meer dan 6,15 eV – wat overeenkomt met golflengten rond 202 nm – voldoende zijn om de C=C-dubbele binding direct te verbreken. Het doel werd dus duidelijk: een UV-bron ontwikkelen die in staat is om intense straling rond 200 nm te produceren zonder dat daarvoor een inerte atmosfeer nodig is.
Excimer- en LED-bronnen werden geëvalueerd, maar afgewezen vanwege de geringe penetratiediepte, ozonvorming en onvoldoende optisch vermogen. De middendruk-kwiklamp bood daarentegen een breedbandig UV-spectrum dat begon bij ongeveer 200 nm en kon worden aangepast voor een hogere UVC-emissie. De ingenieurs van IST METZ baseerden de ontwikkeling van FREEcure daarom op hun beproefde BLK-platform, waarbij ze de spectrale output verschoven naar het kortegolf-UVC-bereik en de emissie onder 220 nm aanzienlijk verhoogden.
Dit werd bereikt door optimalisatie van de plasmatechnologie, verbeterde reflectormaterialen, gespecialiseerde lampmaterialen en verfijnde elektronische besturingssystemen. Het resulterende UV-systeem vertoont een buitengewone fotonendichtheid in het UVC-gebied, ideaal voor directe dubbele-bindingssplitsing.
Van fysica naar proces: de chemie van directe uitharding
BASF SE droeg zijn expertise op het gebied van bindmiddelchemie bij om de UVC-reactiviteit te evalueren. De keuze van het bindmiddel, de functionaliteit ervan en de amine-modificatie bleken cruciaal voor het onderdrukken van zuurstofremming en het bereiken van hoge omzettingspercentages. In laboratorium-FTIR-analyses werden omzettingsniveaus van meer dan 80–90 % bereikt zonder foto-initiatoren. Zowel 100 % UV- als watergedragen UV-dispersies werden met succes uitgehard.
Het samenwerkingsproject sloeg daarmee een brug tussen lamptechnologie en chemische formulering, en toonde aan dat een gerichte afstemming tussen grondstof en lichtbron kan leiden tot procesklare systemen. In veel gevallen vertoonden FREEcure-coatings een chemische bestendigheid, krasvastheid en glansgraad die vergelijkbaar of beter waren dan die van conventionele systemen met standaardconcentraties aan foto-initiatoren.
Toepassing voor roll-to-roll-productie
In continue coating- en druklijnen spelen productiesnelheid, ruimtebeslag en systeemconfiguratie een belangrijke rol. Met geschikte formuleringen maakt FREEcure hoge uithardingssnelheden mogelijk. Afhankelijk van de toepassing kunnen enkele FREEcure-units al voldoende zijn, eventueel aangevuld met LED-UV-systemen voor aanvullende eisen aan de diepte-uitharding.
Dankzij het hoge UVC-vermogen kan bij geschikte toepassingen het aantal UV-units dat voor het uithardingsproces nodig is, worden verminderd. Dit kan voordelen opleveren wat betreft ruimtebeslag en energie-, onderhouds- en bedrijfskosten.
De daadwerkelijk haalbare vermindering van het aantal units en mogelijke besparingen zijn onder meer afhankelijk van de formulering, productiesnelheid, laagdikte, het substraat, de vereiste uithardingsgraad, systeemconfiguratie en het betreffende referentiesysteem.
Perspectief van de operator: ‘Het hardt razendsnel uit!’
Vroege proeven met industriële gebruikers bevestigden al snel de kracht en betrouwbaarheid van het systeem. Tijdens de eerste uithardingsexperimenten merkte een operator op: „Het hardt razendsnel uit!“ – een treffende omschrijving voor een technologie die radicale prestaties levert zonder radicalen uit foto-initiatoren. Ondanks de humoristische toon geeft deze uitspraak goed weer hoe enthousiast men is over de snelle oppervlaktepolymerisatie en de onmiddellijke verwerkingssterkte van FREEcure.
Eisen aan moderne rotatiedrukprocessen
Met geschikte formuleringen maakt FREEcure UV-uitharding zonder fotoinitiatoren of met een gereduceerd gehalte aan fotoinitiatoren mogelijk. Dit kan met name relevant zijn voor toepassingen waarbij fotoinitiatoren en hun bijproducten als mogelijke migratiebronnen in aanmerking moeten worden genomen.
De daadwerkelijke migratie en geschiktheid voor een specifieke verpakkingstoepassing zijn echter afhankelijk van het volledige systeem van inkt, coating, substraat en proces.
Afhankelijk van de toepassing kan FREEcure bovendien zonder inertisering worden gebruikt. Dit kan de systeemintegratie vereenvoudigen. Of inertisering noodzakelijk is, hangt af van de betreffende formulering en proceseisen.
Conclusie
FREEcure combineert een UVC-rijk lampspectrum met daarop afgestemde formuleringen en vergroot daarmee de mogelijkheden van UV-uitharding. Bij geschikte toepassingen kunnen coatings zonder fotoinitiatoren of met een gereduceerd gehalte aan fotoinitiatoren worden uitgehard.
Voor rotatiedrukkers biedt dit extra mogelijkheden op het gebied van procesontwerp, het aantal UV-units en systeemintegratie. Welke voordelen dit voor een specifieke productielijn biedt, moet worden beoordeeld aan de hand van de betreffende toepassing en procesomstandigheden.
Neem contact met ons op voor meer informatie of een haalbaarheidsonderzoek voor uw proces.