Zusammenfassung
Der Rollendruck steht unter ständigem Druck, Produktivität, Energieeffizienz und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften in Einklang zu bringen. Die UV-Härtung ist seit langem eine bewährte Methode zur sofortigen Vernetzung von Beschichtungen und Druckfarben, doch herkömmliche Systeme sind stark auf Photoinitiatoren und Inertisierung angewiesen. FREEcure, entwickelt von der IST METZ GmbH & Co. KG in Zusammenarbeit mit der BASF SE, stellt einen Paradigmenwechsel dar, indem es eine direkte UVC-induzierte Polymerisation mit drastisch reduziertem oder sogar ganz entfallenem Photoinitiatorgehalt ermöglicht. Dieser Artikel untersucht die wissenschaftlichen Grundlagen, technologischen Innovationen und industriellen Vorteile des FREEcure-Systems und zeigt dessen Potenzial auf, die nachhaltige UV-Härtung im Rollendruck neu zu definieren.
Die Herausforderung: Photoinitiatoren und Sauerstoffinhibition
Herkömmliche UV-Härtungssysteme sind auf Photoinitiatoren angewiesen, die UV-Licht absorbieren und Radikale erzeugen, welche die Polymerisation durch Umwandlung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen (C=C) auslösen. Die Sauerstoffinhibition an der Beschichtungsoberfläche schränkt jedoch die Reaktionsausbeute ein, was zu langsameren Liniengeschwindigkeiten und unvollständiger Aushärtung führt. Zu den herkömmlichen Gegenmaßnahmen zählen die Inertisierung mit Stickstoff oder eine übermäßige Dosierung von Photoinitiatoren – beides ist kostspielig und umweltschädlich. Regulatorische Auflagen und Lieferengpässe, insbesondere im Rahmen von REACH und immer strengeren Beschränkungen hinsichtlich spezifischer Migrationswerte (z. B. deutsche Druckfarbenverordnung und Schweizer Verordnung), haben die Druckfarben- und Beschichtungsindustrie zusätzlich dazu herausgefordert, photoinitiatorfreie Alternativen zu finden.
Die Physik hinter FREEcure
Das Entwicklungsteam von IST METZ untersuchte, ob eine UV-Polymerisation durch direkte Bindungsspaltung erreicht werden könnte, wobei Photoinitiatoren vollständig umgangen werden. Theoretische Berechnungen ergaben, dass Photonenenergien von mehr als 6,15 eV – entsprechend Wellenlängen nahe 202 nm – ausreichen, um die C=C-Doppelbindung direkt aufzubrechen. Damit war das Ziel klar: die Entwicklung einer UV-Quelle, die intensive Strahlung um 200 nm erzeugen kann, ohne dass eine Inertatmosphäre erforderlich ist.
Excimer- und LED-Quellen wurden geprüft, jedoch aufgrund geringer Eindringtiefe, Ozonbildung und unzureichender optischer Leistung verworfen. Die Mitteldruck-Quecksilberlampe bot hingegen ein breitbandiges UV-Spektrum, das bei etwa 200 nm begann, und konnte für eine höhere UVC-Emission modifiziert werden. IST METZ stützte die Entwicklung von FREEcure daher auf ihre bewährte BLK-Plattform, verlagerten die spektrale Leistung in den kurzwelligen UVC-Bereich und verstärkten die Emission unterhalb von 220 nm erheblich.
Dies wurde durch die Optimierung der Plasmatechnologie, verbesserte Reflektormaterialien, spezielle Lampenmaterialien und verfeinerte elektronische Steuerungssysteme erreicht. Das daraus resultierende UV-System weist eine außergewöhnliche Photonendichte im UVC-Bereich auf, ideal für die direkte Doppelbindungsspaltung.
Von der Physik zum Prozess: Die Chemie der UV-Direkt-Härtung
Die BASF SE brachte ihr Fachwissen in der Bindemittelchemie ein, um die UVC-Reaktivität zu bewerten. Die Auswahl des Bindemittels, dessen Funktionalität und die Aminmodifizierung erwiesen sich als entscheidend für die Unterdrückung der Sauerstoffinhibition und das Erreichen hoher Aushärtungsgrade. In Labor-FTIR-Analysen wurden ohne Photoinitiatoren Aushärtungsgrade von über 80–90 % erreicht. Sowohl 100 %ige UV- als auch wasserbasierte UV-Dispersionen wurden erfolgreich ausgehärtet.
Das Kooperationsprojekt schlug somit eine Brücke zwischen Lampentechnik und chemischer Formulierung und zeigte, dass eine gezielte Abstimmung zwischen Rohmaterial und Lichtquelle zu prozessreifen Systemen führen kann. In vielen Fällen wiesen FREEcure-Beschichtungen eine chemische Beständigkeit, Kratzfestigkeit und Glanzwerte auf, die denen herkömmlicher Systeme mit Standardkonzentrationen an Photoinitiatoren entsprachen oder diese sogar übertrafen.
Einsatz in der Roll-to-Roll-Produktion
In kontinuierlichen Beschichtungs- und Drucklinien sind Energieeffizienz und Platzbedarf entscheidend. FREEcure ermöglicht Aushärtungsgeschwindigkeiten von bis zu 250 m/Lampe/min für den Offset- und Flexodruck sowie 30–50 m/Lampe/min in Hochgeschwindigkeits-Walzenanwendungen für Möbel oder Rückwände von Schränken. Je nach Formulierung können bereits zwei bis drei FREEcure-Einheiten ausreichen, oft ergänzt durch LED-UV für die Dickschichtpolymerisation.
Über den Verzicht auf Photoinitiatoren hinaus bietet FREEcure erhebliche wirtschaftliche Vorteile: bis zu 75 % geringerer Energieverbrauch, CO₂-Einsparungen in Höhe von mehreren hundert Tonnen jährlich und Amortisationszeiten zwischen 1,5 und 2,5 Jahren. Die reduzierte Anzahl an UV-Einheiten minimiert den Ersatzteilbedarf und die Komplexität der Anlage und unterstützt kompakte und modulare Roll-to-Roll-Konstruktionen.
Aus der Sicht des Anwenders: „Das härtet ja wie verrückt!“
Frühe Tests bei industriellen Anwendern bestätigten schnell die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit des Systems. Bei den ersten Härtungsexperimenten äußerte sich ein Anwender mit den berühmten Worten: „Das härtet ja wie verrückt!“ – eine treffende Beschreibung für eine Technologie, die radikale Leistung ohne Radikale aus Photoinitiatoren liefert. Trotz ihres humorvollen Charakters bringt dieser Satz die Begeisterung über die schnelle Oberflächenpolymerisation und die sofortige Verarbeitungsfestigkeit von FREEcure auf den Punkt.
Energie, Nachhaltigkeit und Auswirkungen auf den Markt
Die Einführung von FREEcure steht im Einklang mit globalen Trends hin zu Dekarbonisierung und sichererer Chemie. Die reduzierte Migration von Photoinitiatoren kommt Lebensmittelverpackungen und empfindlichen Substraten zugute, während der geringere Energieeinsatz zur betrieblichen Nachhaltigkeit beiträgt. Installation und Infrastruktur werden zusätzlich durch den Wegfall von Inertisierungsanforderungen vereinfacht.
Angesichts verschärfter Umweltvorschriften und steigender Verbrauchernachfrage nach geruchsarmen Produkten mit geringer Migration versetzt FREEcure Rollendrucker in die Lage, künftige Vorschriften zu erfüllen und Wettbewerbsvorteile zu erzielen. Die modulare Integration ermöglicht die Nachrüstung bestehender BLK-basierter UV-Systeme und bietet so einen kostengünstigen Upgrade-Pfad.
Fazit
FREEcure stellt einen Meilenstein in der UV-Härtung dar und verbindet fortschrittliche Lampenphysik mit maßgeschneiderter Bindemittelchemie. Sein verstärktes UVC-Spektrum ermöglicht die direkte Vernetzung von Beschichtungen ohne Inertisierung oder starke Abhängigkeit von Photoinitiatoren. Für Rollendrucker bietet es Nachhaltigkeit, Geschwindigkeit und kompromisslose Leistung – und definiert damit die Möglichkeiten der UV-Härtungstechnologie neu.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass FREEcure Energieeffizienz, Umweltverantwortung und wissenschaftliche Präzision vereint. Mit Energieeinsparungen von bis zu 75 % und voller Kompatibilität für die Hochgeschwindigkeits-Roll-to-Roll-Produktion ebnet es den Weg für photoinitiatorfreie Beschichtungen mit geringer Migration. Die Zukunft der UV-Härtung sah noch nie so vielversprechend aus – oder härtete noch nie so schnell aus.
Für weitere Informationen oder eine Bewertung der Machbarkeit in Ihrem Prozess kontaktieren Sie uns bitte.