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L-147

UV- und Elektronenstrahl-Druckfarben

Strahlungshärtend, lösemittelfrei — Photoinitiator, Sauerstoff, Schichtdicken und Arbeitsschutz

WahlqualifikationB 11

KernaussageUV-Farben enthalten reaktive Oligomere/Harze, Reaktivverdünner, Pigmente, Additive und Photoinitiatoren. Bei ESH/EB wird die Energie durch Elektronen eingebracht — kein Photoinitiator erforderlich, die Sauerstoffinhibierung bleibt jedoch bestehen und wird durch Inertisierung mit Stickstoff beherrscht.

Härtungsmechanismus vereinfacht

UV: UV-Härtung funktioniert, wenn die UV-Quelle Strahlung im passenden Absorptionsbereich des Photoinitiators liefert. Der aktivierte Photoinitiator startet die Polymerisation → reaktive Radikale → Polymerisation/Vernetzung der Acrylat-Monomere und -Oligomere → fester, vernetzter Film. (Kationisch härtende UV-Systeme arbeiten mit Epoxiden oder Vinylethern, nicht mit Acrylaten.)

ESH/EB: Energiereiche Elektronen (Beschleunigungsspannung rund 80–300 kV; kompakte Inline-Aggregate für schmale Bahnen im unteren, breite Bahnen und dickere Schichten im oberen Bereich) → direkte Ionisation → Vernetzungsreaktion ohne Photoinitiator. Tieferes Eindringen in dickere Schichten als UV-Strahlung. Die Sauerstoffinhibierung ist bei ESH nicht geringer, sondern eher ausgeprägter als bei UV; EB-Anlagen werden deshalb unter Stickstoff betrieben (Restsauerstoff typischerweise unter 200 ppm).

Typische Strahlungsquellen UV: Quecksilberdampflampe (Hg, breites UV-Spektrum, etwa 200–400 nm); UV-LED (z. B. 365, 385, 395, 405 nm — definierte Wellenlänge; PI muss abgestimmt sein; 405-nm-LED reichen knapp in den violetten Bereich und brauchen langwellig absorbierende Photoinitiatoren).

Typische Schichtdicken und Viskositäten

UV-Druckfarben passen ihre Viskosität dem zugrundeliegenden Druckverfahren an:

UV-Offset | Viskosität: etwa 40–100 Pa·s (pastös, im Bereich konventioneller Offsetfarben; methoden- und temperaturabhängig) | Schichtdicke: 1–3 µm
UV-Flexo | 50–300 mPa·s (niedrigviskos wie konventioneller Flexo) | 1–5 µm
UV-Siebdruck | 1–50 Pa·s (systemabhängig) | 15–60 µm
UV-Inkjet | 5–20 mPa·s (bei Druckkopftemperatur) | 1–3 µm

Hinweis: Bei UV-Inkjet ist die Viskosität bei der Drucktemperatur (oft 40–60 °C im Druckkopf) entscheidend, nicht bei Raumtemperatur.

Einflussfaktoren auf die Härtung

Strahlungsdosis | Zu geringe Dosis → Unterhärtung (klebrig, abriebempfindlich); typisch 60–200 mJ/cm² pro Durchgang je nach System und Farbe
Pigment/Farbton | Pigmente können Strahlung absorbieren oder streuen; besonders kritisch: Rußschwarz und UV-absorbierende Pigmente
Schichtdicke | Dickere Schichten sind schwieriger vollständig durchzuhärten; UV-Strahlung dringt nur begrenzt tief ein
Sauerstoff | Hemmt bei radikalischen UV-Systemen die Oberflächenhärtung (Sauerstoffinhibierung); Abhilfe: Inertgas (N₂), höhere Dosis oder PI-Auswahl
Photoinitiator | Art (Absorptionsspektrum) und Konzentration müssen auf Lichtquelle und Pigment abgestimmt sein
Substrat/Formulierung | Haftung und Endbeständigkeit sind systemabhängig; auf nichtsaugenden Substraten besonders wichtig

Arbeitsschutz

Reaktive Acrylatbestandteile (Monomere, Oligomere): können hautreizend und sensibilisierend wirken. Einmal sensibilisiert, kann auch geringste Exposition Reaktionen auslösen. Deshalb: Schutzhandschuhe aus geeignetem Material, geschlossene Arbeitsweise, Sicherheitsdatenblatt und Betriebsanweisung beachten.

UV-Strahlung: UV-Strahler sind Gefahrenquellen für Augen und Haut. Strahler nur in abgeschirmten Anlagen betreiben. Bei Laborversuchen mit UV-Lampe: UV-Schutzbrille!

ESH-Anlage: Hochspannung und ionisierende Strahlung erfordern besondere Sicherheitsmaßnahmen und Fachpersonal.

Lebensmittelverpackung: Nicht umgesetzte Photoinitiatoren, deren Spaltprodukte und Restmonomere können in das Füllgut migrieren. Abhilfe: Low-Migration-UV-Farben mit polymeren bzw. hochmolekularen Photoinitiatoren, vollständige Durchhärtung, Barriereschichten — oder ESH, das ganz ohne Photoinitiator auskommt (Details in L-149).

Merksatz

UV- und Elektronenstrahlfarben härten durch Polymerisation, nicht durch Verdunsten — daher praktisch lösemittelfrei und in Sekunden fertig. UV braucht einen Photoinitiator und kämpft an der Oberfläche gegen die Sauerstoffinhibierung; ESH bringt die Energie direkt über Elektronen ein und kommt ohne Photoinitiator aus — die Sauerstoffinhibierung bleibt jedoch bestehen und wird durch Stickstoff-Inertisierung beherrscht. Die Durchhärtung hängt an Dosis und Schichtdicke: Pigmente und Weißdeckung bremsen die Tiefenhärtung. Die Gefahr steckt im unvernetzten Zustand — ungehärtete Reaktivverdünner sind reizend und sensibilisierend, der ausgehärtete Film ist es nicht.

UV-DruckfarbeESHEBElektronenstrahlPhotoinitiatorReaktivverdünnerOligomerPolymerisationVernetzungSauerstoffinhibierungSauerstoffHautschutzAcrylatSchichtdickeStrahlungsdosismJ/cm²UV-LEDHg-LampePa·smPa·sµm
Quellen
  • Brock/Groteklaes/Mischke, Lehrbuch der Lacktechnologie

Übungsblatt Ü-147

Prüfen, ob es sitzt.

Verständnis8 Punkte

1. Vergleichen Sie die Härtung von UV-Farben und ESH-Farben: Gemeinsamkeiten, Unterschiede und je einen Vorteil jedes Verfahrens.

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GemeinsamkeitBeide bestehen aus reaktiven Monomeren/Oligomeren; keine oder kaum flüchtige Bestandteile (100-%-Systeme); schnelle Härtung durch Strahlung.
UVPhotoinitiator nötig: UV-Härtung funktioniert, wenn die UV-Quelle Strahlung im passenden Absorptionsbereich des Photoinitiators liefert; der aktivierte Photoinitiator startet die Polymerisation (Quecksilberstrahler etwa 200–400 nm, UV-LEDs nur 365 bis 405 nm). Vorteil: weit verbreitete Technologie, flexible Quellenwahl (Hg, LED).
ESHEnergiereiche Elektronen; kein Photoinitiator. Vorteil: tieferes Eindringen in dicke Schichten; Härtung auch unter UV-absorbierenden Pigmenten. Zu beachten: Die Stickstoff-Inertisierung ist bei ESH nicht optional, sondern Voraussetzung für die Durchhärtung.
ComplianceKein Photoinitiator bei ESH → geringeres Migrationsrisiko durch PI-Fragmente, relevant für Lebensmittelverpackungen.
Warum das eine Eins verdientGemeinsamkeiten, Unterschiede (PI vs. Elektronen) und je ein sachlicher Vorteil.
Verständnis6 Punkte

2. Nennen Sie drei Vorteile von UV/ESH-Druckfarben gegenüber verdunstungstrocknenden Systemen — und einen Nachteil.

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Vorteil 1Sofort weiterverarbeitbar — kein Warten auf Verdunstung oder Oxidation.
Vorteil 2Kein flüchtiger organischer Anteil (VOC) → geringere Emissionen.
Vorteil 3Hohe Scheuer- und Chemikalienbeständigkeit; auch auf nichtsaugenden Substraten.
NachteilReaktive Acrylate sind sensibilisierend; Arbeitsschutz erhöht; UV-Anlage und Strahler als Investition; Compliance-Anforderungen bei Lebensmittelkontakt.
Warum das eine Eins verdientDrei sachliche Vorteile und ein realer Nachteil.
Anwendung8 Punkte

3. Für einen UV-Offset-Druck auf Lebensmittelkarton wird eine neue schwarze, photoinitiatorhaltige Farbe geprüft. Was sind die Compliance-Risiken und welche Alternativen bestehen?

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Compliance-Risiko PINicht vollständig umgesetzte Photoinitiatoren und deren Spaltprodukte können in den Karton und ins Lebensmittel migrieren (PI-Fragmente → toxikologisch relevant).
Compliance-Risiko PigmentRußschwarz erschwert UV-Tiefenhärtung → Unterhärtung → erhöhte Restmonomer-/PI-Migration.
Maßnahme 1Low-Migration-UV-Farbe mit polymeren oder hochmolekularen Photoinitiatoren und migrationsdichten Rezepturen verwenden.
Maßnahme 2ESH als Alternative: kein Photoinitiator, tieferes Eindringen, auch bei dunklen Pigmenten.
Maßnahme 3Barriereschicht zwischen Druckfarbe und Kontaktfläche.
Warum das eine Eins verdientPI-Migration und Unterhärtungsrisiko bei Rußschwarz werden erkannt; Low-Migration und ESH als Alternativen genannt.

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