Streszczenie
Branża przetwórstwa typu roll-to-roll znajduje się pod ciągłą presją, aby zachować równowagę między wydajnością, efektywnością energetyczną i zgodnością z przepisami. Utwardzanie promieniowaniem UV od dawna jest sprawdzoną metodą natychmiastowego sieciowania powłok i farb, jednak tradycyjne systemy w dużym stopniu opierają się na fotoinicjatorach i inertyzacji. FREEcure, opracowany przez firmę IST METZ GmbH & Co. KG we współpracy z BASF SE, stanowi przełom, umożliwiając bezpośrednią polimeryzację indukowaną promieniowaniem UVC przy znacznie zmniejszonej lub nawet całkowicie wyeliminowanej zawartości fotoinicjatorów. W niniejszym artykule omówiono zasady naukowe, innowacje technologiczne i korzyści przemysłowe systemu FREEcure, wykazując jego potencjał w zakresie redefinicji zrównoważonego utwardzania w procesie roll-to-roll.
Wyzwanie: fotoinicjatory i hamowanie tlenowe
Tradycyjne systemy utwardzania promieniowaniem UV opierają się na fotoinicjatorach, które pochłaniają promieniowanie UV i wytwarzają rodniki wywołujące polimeryzację poprzez przekształcanie podwójnych wiązań węglowo-węglowych (C=C). Jednak hamowanie tlenowe na powierzchni powłoki ogranicza wydajność reakcji, powodując spowolnienie prędkości linii produkcyjnej i niepełne utwardzenie. Tradycyjne środki zaradcze obejmują inertyzację azotem lub stosowanie nadmiernych ilości fotoinicjatorów – oba rozwiązania są kosztowne i nieprzyjazne dla środowiska. Ograniczenia regulacyjne i ograniczenia dostaw, szczególnie w ramach REACH oraz coraz większe ograniczenia dotyczące określonych poziomów migracji, np. niemieckie rozporządzenie w sprawie farb drukarskich i rozporządzenie szwajcarskie, stanowiły dodatkowe wyzwanie dla przemysłu farb i powłok w zakresie znalezienia alternatyw bez fotoinicjatorów.
Fizyka stojąca za FREEcure
Zespół badawczy w IST METZ zbadał, czy polimeryzację UV można osiągnąć poprzez bezpośrednie rozszczepienie wiązania, całkowicie pomijając fotoinicjatory. Obliczenia teoretyczne wykazały, że energia fotonów przekraczająca 6,15 eV — odpowiadająca długościom fal w pobliżu 202 nm — jest wystarczająca do bezpośredniego rozbicia wiązania podwójnego C=C. W ten sposób cel stał się jasny: opracowanie źródła promieniowania UV zdolnego do wytwarzania intensywnego promieniowania o długości fali około 200 nm bez konieczności stosowania atmosfery obojętnej.
Rozważano zastosowanie źródeł ekscymerowych i LED, ale zostały one odrzucone ze względu na małą głębokość penetracji, powstawanie ozonu oraz niewystarczającą moc optyczną. Lampa rtęciowa średniociśnieniowa oferowała natomiast szerokie pasmo widma UV, zaczynające się w pobliżu 200 nm, i można ją było zmodyfikować w celu uzyskania większej emisji promieniowania UVC. Inżynierowie z firmy IST METZ oparli zatem projekt urządzenia FREEcure na swojej sprawdzonej platformie BLK, przesuwając charakterystykę widmową w kierunku krótkofalowego zakresu UVC i znacznie zwiększając emisję poniżej 220 nm.
Osiągnięto to poprzez optymalizację technologii plazmowej, ulepszone materiały reflektorów, specjalistyczne materiały lampowe oraz udoskonalone elektroniczne systemy sterowania. Powstały system UV wykazuje niezwykłą gęstość fotonów w zakresie UVC, idealną do bezpośredniego rozrywania wiązań podwójnych.
Od fizyki do procesu: chemia utwardzania bezpośredniego
Firma BASF SE wniosła swoją wiedzę specjalistyczną w zakresie chemii spoiw do oceny reaktywności promieniowania UVC. Wybór spoiwa, jego funkcjonalność oraz modyfikacja aminowa okazały się kluczowe dla stłumienia hamowania tlenowego i osiągnięcia wysokich współczynników konwersji. W laboratoryjnej analizie FTIR osiągnięto poziomy konwersji powyżej 80–90% bez użycia fotoinicjatorów. Z powodzeniem utwardzono zarówno 100% dyspersje UV, jak i dyspersje UV na bazie wody.
W ramach tego projektu współpracy połączono zatem inżynierię lamp z opracowywaniem receptur chemicznych, wykazując, że celowa synchronizacja między surowcem a źródłem światła może zaowocować systemami gotowymi do zastosowania w procesie produkcyjnym. W wielu przypadkach powłoki FREEcure wykazywały odporność chemiczną, twardość na zarysowania oraz poziom połysku porównywalny lub lepszy od konwencjonalnych systemów wykorzystujących standardowe stężenia fotoinicjatorów.
Wdrożenie w produkcji typu roll-to-roll
W ciągłych liniach powlekania i druku istotną rolę odgrywają prędkość produkcji, zapotrzebowanie na przestrzeń oraz konfiguracja instalacji. Przy zastosowaniu odpowiednich formulacji FREEcure umożliwia wysokie prędkości utwardzania. W zależności od zastosowania wystarczająca może być niewielka liczba modułów FREEcure, w razie potrzeby uzupełnionych systemami LED UV w celu spełnienia dodatkowych wymagań dotyczących utwardzania w głębi warstwy.
Dzięki wysokiej mocy UVC w odpowiednich zastosowaniach można zmniejszyć liczbę modułów UV wymaganych w procesie utwardzania. Może to przynieść korzyści pod względem zapotrzebowania na przestrzeń oraz kosztów energii, konserwacji i eksploatacji.
Rzeczywiście możliwe zmniejszenie liczby modułów oraz potencjalne oszczędności zależą między innymi od formulacji, prędkości produkcji, grubości warstwy, podłoża, wymaganego stopnia utwardzenia, konfiguracji instalacji oraz odpowiedniego systemu referencyjnego.
Perspektywa operatora: „To utwardza jak diabli!”
Wczesne testy przeprowadzone z udziałem użytkowników przemysłowych szybko potwierdziły wydajność i niezawodność systemu. Podczas pierwszych eksperymentów z utwardzaniem jeden z operatorów wygłosił słynną uwagę: „To utwardza jak diabli!” – trafny opis technologii zapewniającej rewolucyjną wydajność bez udziału rodników z fotoinicjatorów. Pomimo humorystycznego wydźwięku, to stwierdzenie oddaje entuzjazm związany z szybką polimeryzacją powierzchniową FREEcure i natychmiastową wytrzymałością na obciążenia.
Wymagania nowoczesnych procesów druku z roli
Przy zastosowaniu odpowiednich formulacji FREEcure umożliwia utwardzanie UV bez fotoinicjatorów lub ze zmniejszoną zawartością fotoinicjatorów. Może to być szczególnie istotne w zastosowaniach, w których fotoinicjatory i produkty ich przemian należy uwzględniać jako potencjalne źródła migracji.
Rzeczywisty poziom migracji oraz przydatność do konkretnego zastosowania opakowaniowego zależą jednak od całego systemu obejmującego farbę, powłokę, podłoże i proces.
W zależności od zastosowania FREEcure może być również stosowany bez inertyzacji. Może to uprościć integrację systemu. Konieczność zastosowania inertyzacji zależy od konkretnej formulacji i wymagań procesu.
Podsumowanie
FREEcure łączy widmo lampy o wysokim udziale UVC z odpowiednio dostosowanymi formulacjami, rozszerzając tym samym możliwości utwardzania UV. W odpowiednich zastosowaniach powłoki mogą być utwardzane bez fotoinicjatorów lub ze zmniejszoną zawartością fotoinicjatorów.
Dla drukarni wykorzystujących druk z roli oznacza to dodatkowe możliwości w zakresie projektowania procesu, liczby modułów UV oraz integracji systemu. Korzyści dla konkretnej linii produkcyjnej należy ocenić na podstawie danego zastosowania i warunków procesu.
Aby uzyskać więcej informacji lub ocenić wykonalność w Państwa procesie, prosimy o kontakt.