Interpack und KBA
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für die Härtung zur Verfügung. Die<br />
hochreaktiven UV-Farben <strong>und</strong> UV-<br />
Lacke müssten damit beim Einsatz<br />
mit ozonfreien UV-Strahlern noch<br />
reaktiver sein, um diesen Nachteil<br />
wieder auszugleichen.<br />
UV-LED-Trockung<br />
Bei UV-LED-Modulen werden keine<br />
konventionellen Quecksilber-<br />
Mitteldruckstrahler, sondern UV-<br />
Strahlung <strong>und</strong> Licht emittierende<br />
Halbleiterdioden (UV-LED) eingesetzt.<br />
Eine LED ist eine Halbleiter-<br />
Lumineszenzdiode, die in Durchlassrichtung<br />
betrieben wird. Der<br />
Halbleiter der Diode besteht aus einer<br />
Verbindung der Elemente Gallium,<br />
Arsen <strong>und</strong> Phosphor. Legt man<br />
an die Diode eine Spannung an, so<br />
sendet die Diode Strahlung aus.<br />
Der Gr<strong>und</strong>aufbau eines UV-LED-<br />
Moduls ist in Bild 3 dargestellt.<br />
Analog zu konventionellen UV-<br />
Modulen können UV-LED-Module<br />
mit mechanischem Einschub ausgeführt<br />
werden. Angeordnet sind<br />
die UV-LED an der Unterseite des<br />
Moduls: Durch eine Glasscheibe<br />
können sie vor Verschmutzung<br />
<strong>und</strong> mechanischen Einwirkungen<br />
geschützt werden. Die Fokussierung<br />
der Strahlung kann entweder<br />
mit einer Optik direkt am Halbleiterchip<br />
oder über separate Reflektoren<br />
erfolgen.<br />
Wichtig für die Lebensdauer<br />
der UV-LED ist eine gute Wärmeabfuhr.<br />
Dafür ist entsprechend<br />
Bild 3 eine Wasserkühlung mit Wasserkupplungen<br />
am UV-LED-Modul<br />
vorhanden. Da leistungsstarke UV-<br />
LED beim Einsatz in Bogenoffsetmaschinen<br />
nur über einen maximalen<br />
Wirkungsgrad von etwa 20<br />
Prozent verfügen, müssen etwa<br />
80 Prozent der zugeführten elektrischen<br />
Wirkleistung durch die<br />
Wasserkühlung abgeführt werden.<br />
Am Markt erhältliche UV-LED sind<br />
sehr empfindlich gegenüber hohen<br />
Temperaturen. Im Gegensatz zu<br />
konventionellen UV-Modulen ist<br />
ein Kaltwassersatz für eine hohe<br />
Gebrauchsdauer zwingend notwendig.<br />
Theoretisch emittiert eine UV-<br />
LED nur eine Wellenlänge. Dies<br />
wird als monochromatische Strahlung<br />
bezeichnet. Praktisch handelt<br />
es sich aber um einen Wellenlängenbereich.<br />
Bild 4 zeigt das Messergebnis<br />
eines UV-LED-Moduls mit<br />
Bild 3: UV-LED-Modul<br />
einer mittleren Wellenlänge von<br />
etwa 385 nm.<br />
Für den Einsatz von UV-LED-<br />
Trocknern in Bogenoffsetmaschinen<br />
sprechen geringe Serviceinterwalle<br />
für den Wechsel der UV-LED<br />
(15.000 bis 30.000 St<strong>und</strong>en) <strong>und</strong><br />
die Quecksilberfreiheit. Aktuell<br />
verbraucht ein UV-LED-Modul bei<br />
gleicher nutzbarer Strahlungsleistung<br />
gegenüber einem konventionellen<br />
UV-Modul im Dauerbetrieb<br />
aber etwa 50 Prozent mehr Energie.<br />
Das UV-LED-Modul kann dagegen<br />
getaktet <strong>und</strong> in der Formatbreite<br />
angepasst werden. Des Weiteren<br />
Bestrahlungsstärke [W/m²]<br />
Bild 4: Beispielhaftes Spektrum eines UV-LED-Moduls<br />
Strahlungsfläche (UV-LED hinter Glasscheibe)<br />
können die UV-LED einfach an<br />
<strong>und</strong> ausgeschaltet werden. Somit<br />
entfällt der Betriebsmodus „stand<br />
by“. Diese Vorteile können den<br />
wesentlich schlechteren Wirkungsgrad<br />
aber nicht kompensieren. Ein<br />
weiterer Nachteil ist der hohe Preis<br />
eines UV-LED-Trocknungssystems<br />
gegenüber einem konventionellen<br />
System. Dieser beträgt ein Vielfaches.<br />
Wirkungsweise der UV-Farbtrocknung<br />
Die Trocknung bzw. Härtung von<br />
UV-Farben erfolgt durch radikalische<br />
Polymerisation. Zum Start die-<br />
200 250 300 350 400 450 Wellenlänge [nm] 600<br />
Extinktion<br />
2<br />
1,5<br />
1<br />
0,5<br />
0<br />
UV-LED-Modul 385 nm<br />
UV-Strahlung Licht<br />
Konzentration von IRGACURE 651<br />
0,1 %<br />
0,01 %<br />
0,001 %<br />
200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 Wellenlänge [nm]<br />
500<br />
Bild 5: Absorptionsspektrum von Irgacure 651 (Quelle Ciba)<br />
ser Reaktion wird ein Radikal benötigt,<br />
das durch die Spaltung eines<br />
Photoinitiators entsteht. Der Photoinitiator<br />
ist ein Molekühl mit einem<br />
spezifischen Absorptionsspektrum<br />
für die UV-Strahlung, das sich<br />
von Photoinitiator zu Photoinitiator<br />
unterscheidet. Um den Photoinitiator<br />
zu spalten, muss genügend UV-<br />
Strahlung vorhanden sein <strong>und</strong> diese<br />
auch zum Absorptionsspektrum<br />
des Photoinitiators passen. Optimal<br />
ist, wenn das Emissionsmaximum<br />
des UV-Strahlers <strong>und</strong> das Absorptionsmaximum<br />
des Photoinitiators<br />
zusammen liegen. Wenn die<br />
eingestrahlte UV-Dosis ausreicht,<br />
kann in dieser Konstellation die<br />
Farbe sicher getrocknet werden.<br />
Beim Einsatz eines klassischen UV-<br />
Strahlers fallen oft mehrere Emissionsmaxima<br />
des Leuchtmittels mit<br />
der Absorptionskurve des Photoinitiators<br />
zusammen. Dies bietet die<br />
Möglichkeit, das Emissionsspektrum<br />
des UV-Strahlers optimal auszunutzen<br />
<strong>und</strong> genügend UV-Dosis<br />
für die Spaltung des Photoinitiators<br />
aufzubringen.<br />
Am Beispiel des Absorptionsspektrums<br />
des Photoinitiators Irgacure<br />
651 (Bild 5) erkennt man,<br />
dass dieser im Bereich von 300 nm<br />
bis 380 nm mit einem Maximum<br />
bei 350 nm absorbiert. Verwendet<br />
man klassische Leuchtmittel<br />
zur Spaltung des Photoinitiators,<br />
werden mehrere Emissionsbanden<br />
genutzt. Zusätzlich liegt das Maximum<br />
des Absorptionsspektrums<br />
nahe einem Maximum des Emissionsspektrums<br />
des Leuchtmittels.<br />
Bei UV-LED sucht man einen<br />
Photoinitiator, dessen Absorptionsmaximum<br />
genau auf die Wellenlänge<br />
des LED abgestimmt ist.<br />
Reserven in Form von weiteren<br />
Emissionsmaxima der Strahlungsquelle<br />
wie bei einem klassischen<br />
UV-Modul sind nicht vorhanden.<br />
Deshalb muss die Formulierung<br />
der Farben sehr genau sein, um<br />
eine gleichzeitige Oberflächen-<br />
<strong>und</strong> Tiefenhärtung zu realisieren.<br />
Ist der Photoinitiator nicht exakt<br />
abgestimmt oder die UV-LED liefert<br />
nicht genügend Strahlung, polymerisiert<br />
die Farbe nicht vollständig.<br />
Aktuelle LED-UV-Farben sind für<br />
viele Druckanwendungen noch<br />
nicht zu gebrauchen.<br />
Dr. Maik Walter, Dr. Sascha Fälsch<br />
maik.walter@kba.com / sascha.faelsch@kba.com<br />
Report 39 | 2011 31
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