Projekt 37812/01

Industrielle UV-Härtung von Druckfarben und Beschichtungen ohne Quecksilber-UV-Strahler

Projektdurchführung

Innovative Oberflächentechnologien GmbH (IOT)
Permoserstr. 15
04318 Leipzig

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Anlass des Vorhabens ist das in der EU ab 2027 drohende Verbot von Quecksilberstrahlern, die bisher zur industriellen UV-Härtung von Beschichtungen und Druckfarben eingesetzt werden.
Ziel dieses Vorhabens ist es, alternative UV-Härtungsanlagen zu entwickeln, die kein Quecksilber enthalten aber Quecksilberstrahler bzgl. Bestrahlungsleistung, Anwendungsvielfalt und Qualität der gehärten Beschichtung oder Druckfarbe nicht nachstehen.



Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Rahmen des Projektes wurden UV-Bestrahlungsanlagen entwickelt, die aus einer Kombination von leistungsstarken Edelgas-Halogen Excimerstrahlern und LED bestehen. Edelgas-Halogen-Excimerstrahler mit Wellenlängen von 222, 253 und 308 nm sind besonders für die Oberflächenhärtung geeignet, während LEDStrahler mit Wellenlängen im Bereich von 365 bis 405 nm die Tiefenhärtung ermöglichen. Auf diese Weise können durch die Kombination beider Strahlenquellen wesentliche Emissionsbereiche der polychromatischen Mitteldruck-Quecksilberstrahler nachgebildet werden. Der Schwerpunkt der Entwicklung lag auf der Bereitstellung leistungsstarker Edelgas-Halogen-Strahler. Verwendet wurden koaxial aufgebaute Excimerlampen der Fa. Heraeus Noblelight, deren Wirkungsgrad durch eine ausgewählte Füllung (Heraeus Noblelight) und die Ansteuerung der Plasmaentladung mittels 500 kHz Hochspannungsgeneratoren (IOT) optimiert wurde. Neu entwickelt wurden entsprechende Excimer-Strahlenquellen für den industriellen Einsatz, die aus einem Al-Strangguss-Gehäuse mit hochspannungsfestem Strahlerkopf, der Excimerlampe, einer Wasserkühlung auf Deionatbasis und einer längs des Strahlers geführten Düse zur Inertisierung des Strahlers mit Stickstoff bestehen. Auf einer Laboranlage der IOT wurden diese Strahler eingebaut und getestet. Hier konnten Bestrahlungsstärken gemessen und die Härtung von Beschichtungen und Druckfarben unter industrienahen Bedingungen durchgeführt werden. Da in-line mit den Excimerstahlern auf der Laboranlage auch Mitteldruck-Quecksilberstrahler zur Verfügung standen, konnte die Leistungsfähigkeit beider Strahlenquellen direkt verglichen werden. Für vergleichende Versuche wurden industrieübliche acrylatbasierende Lacke und Druckfarben verwendet. Mittels FTIR-ATR wurde der Umsatz der Acrylat.Doppelbindungen eines Lackes bzw. einer Druckfarbe nach alternativer Härtung durch EdelgasHalogen Excimerstrahler gemessen und mit der Härtung durch Quecksilber-UV-Strahler verglichen.


Ergebnisse und Diskussion

Entwickelt wurden leistungsstarke Excimerstrahler mit monochromatischer Emission bei 222, 253 und 308 nm. In Kombination mit bereits verfügbaren LED-Strahlern mit Emissionen von 365, 395 und 405 nm stehen damit Strahlenquellen für die UV-Härtung zur Verfügung, die wesentliche Parameter des polychromatischen Spektrums von Quecksilber-Mitteldruckstrahlern nachbilden. Edelgas-Halogen-Excimerstrahler emittieren bei 222 (KrCl*), 253 (XeJ*) und 308 nm (XeCl*).Damit wird der Teil des Spektrums zur Verfügung gestellt, der für die Oberflächenhärtung verantwortlich ist. Mit nachgeschalteten leistungsstarken LED wird Tiefen- und Endhärtung erreicht.
Vergleicht man die Emission einer Kombination Edelgas-Halogen Excimerstrahler und LED-Strahler mit der eines Hg-Mitteldruckstrahlers, dann ist ersichtlich, dass nahezu alle intensiven Emissionslinien des HgMitteldruckstrahlers durch Excimerstrahler und LED erzeugt werden können. Auch die Lebensdauern von Excimerlampen sind vergleichbar mit denen von Quecksilberstrahlern. Für LED liegen die Lebensdauern deutlich höher. Außerdem lässt sich auch die Energieeffizienz der UV-Härtung verbessern – vor allem wenn unter Stickstoff gehärtet wird. Weitere technische und ökologische Vorteile einer kombinierten
Bestrahlungsquelle Edelgas-Halogen-Excimerstrahler /LED im Vergleich zu Quecksilber-Mitteldruckstrahlern sind: wesentlich geringerer Wärmeeintrag in das Substrat, keine Aufwärmzeit, Ein - und Ausschaltzeit im Sekundenbereich, kein mechanischer Shutter erforderlich,keine Verwendung von Quecksilber.



Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Vorstellung von Ergebnissen bei Vorträgen: Surface in Motion 2023.
Vorstellung der Ergebnisse durch IOT als Aussteller auf den internationalen Messen: Label Expo Brüssel und LIGNA Hannover.
Publikation der Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Farbe und Lack“ (Vincentz-Verlag Hannover).
Nutzung der Demonstratoreinheit der IOT zur Präsentation der quecksilberfreien UV-Härtung bei potentiellen. Kunden und Multiplikatoren. Gegenwärtig liegen vier Bestellungen der von Excimer/LED Härtungsanlagen von Lackherstellern vor.



Fazit

• Als Alternative zur UV-Härtung mit Quecksilber-Mitteldruckstrahlern wird die Anwendung von Edelgas-Halogen-Excimerstrahlern in Kombination mit LED als Strahlenquellen vorgeschlagen.
• Mit monochromatischen Emissionen bei 222, 253, 308, 365, 395 und 405 nm wird das
Emissionsspektrum von Quecksilberstrahlern durch diese Kombination weitgehend nachgebildet.
• Die Bestrahlung bei Wellenlängen von 222, 253 und 308 nm bewirkt vor allem eine ausreichende Oberflächenhärtung. Die LED-Bestrahlung bei Wellenlängen von 365 bis 405nm erzeugt Tiefen- und Endhärtung.
• Die Bestrahlung unter inerter Atmosphäre erweist sich als vorteilhaft. Für viele Anwendungsfälle können Sauerstoffkonzentrationen bis 1,5% im Inertgas Stickstoff toleriert werden.
• UV-Härtung mit der Kombination Excimerstrahler/LED unter Stickstoff ist eine energieeffiziente und damit wirtschaftliche Alternative zur UV-Härtung mit Quecksilberstrahlern an Luft.