Resumen
La impresión en bobina se enfrenta al reto de conciliar la productividad, el uso de energía y el cumplimiento de los requisitos legales. El curado UV es desde hace tiempo un método probado para la rápida reticulación de recubrimientos y tintas de impresión. Las formulaciones UV convencionales suelen utilizar fotoiniciadores; dependiendo de la aplicación, también puede emplearse la inertización. FREEcure, desarrollado por IST METZ GmbH & Co. KG en colaboración con BASF SE, utiliza una elevada proporción de radiación UVC para favorecer la iniciación directa de la polimerización. De este modo, dependiendo de la aplicación, las formulaciones adecuadas pueden curarse con un contenido reducido de fotoiniciadores o sin fotoiniciadores.
Este artículo analiza los fundamentos científicos, el desarrollo tecnológico y las posibilidades de aplicación industrial de FREEcure y muestra el potencial de esta tecnología para procesos de curado UV con un contenido reducido de fotoiniciadores o sin fotoiniciadores en la impresión en bobina.
El reto: los fotoiniciadores y la inhibición por oxígeno
Los sistemas convencionales de curado UV dependen de los fotoiniciadores para absorber la luz ultravioleta y generar radicales que desencadenan la polimerización mediante la conversión de los dobles enlaces carbono-carbono (C=C). Sin embargo, la inhibición por oxígeno en la superficie del recubrimiento limita la eficiencia de la reacción, lo que provoca velocidades de línea más lentas y un curado incompleto. Entre las medidas convencionales se encuentran la inertización con nitrógeno o el uso de concentraciones más elevadas de fotoiniciadores, ambas asociadas potencialmente a un mayor consumo de materiales y a costes adicionales. Las restricciones normativas y las limitaciones de suministro, especialmente en el marco de REACH y las crecientes restricciones sobre los niveles de migración específicos (por ejemplo, el Reglamento alemán sobre tintas y el Reglamento suizo), han supuesto un reto adicional para las industrias de tintas y recubrimientos a la hora de encontrar alternativas sin fotoiniciadores.
La física detrás de FREEcure
El equipo de desarrollo de IST METZ investigó si la polimerización UV podía lograrse mediante la ruptura directa de enlaces, prescindiendo por completo de los fotoiniciadores. Los cálculos teóricos indicaron que las energías fotónicas superiores a 6,15 eV —correspondientes a longitudes de onda cercanas a los 202 nm— son suficientes para romper directamente el doble enlace C=C. Por lo tanto, el objetivo quedó claro: desarrollar una fuente de UV capaz de producir una radiación intensa en torno a los 200 nm sin necesidad de una atmósfera inerte.
Se evaluaron fuentes de excímero y LED, pero se descartaron debido a su escasa profundidad de penetración, a la formación de ozono y a una potencia óptica insuficiente. La lámpara de mercurio de media presión, sin embargo, ofrecía un espectro UV de banda ancha que comenzaba cerca de los 200 nm y podía modificarse para obtener una mayor emisión de UVC. Por ello, los ingenieros de IST METZ basaron el desarrollo de FREEcure en su probada plataforma BLK, desplazando la salida espectral hacia el rango de UVC de onda corta y aumentando considerablemente la emisión por debajo de los 220 nm.
Esto se logró mediante la optimización de la tecnología de plasma, la mejora de los materiales del reflector, el uso de materiales especializados para la lámpara y el perfeccionamiento de los sistemas de control electrónico. El sistema UV resultante presenta una extraordinaria densidad de fotones en la región UVC, ideal para la ruptura directa de dobles enlaces.
De la física al proceso: la química del curado directo
BASF SE aportó su experiencia en química de aglutinantes para evaluar la reactividad a los rayos UVC. La selección del aglutinante, su funcionalidad y la modificación con aminas resultaron fundamentales para suprimir la inhibición por oxígeno y lograr altas tasas de conversión. En los análisis FTIR de laboratorio se alcanzaron niveles de conversión superiores al 80-90 % sin fotoiniciadores. Se curaron con éxito tanto dispersiones 100 % UV como dispersiones UV a base de agua.
De este modo, el proyecto de cooperación tendió un puente entre la ingeniería de lámparas y la formulación química, demostrando que una sincronización específica entre la materia prima y la fuente de luz puede dar lugar a sistemas listos para su uso en procesos. En muchos casos, los recubrimientos FREEcure mostraron niveles de resistencia química, dureza al rayado y brillo similares o superiores a los de los sistemas convencionales que emplean concentraciones estándar de fotoiniciadores.
Aplicación en la producción rollo a rollo
En las líneas continuas de recubrimiento e impresión, la velocidad de producción, el espacio necesario y la configuración de la instalación desempeñan un papel importante. Con formulaciones adecuadas, FREEcure permite altas velocidades de curado. Dependiendo de la aplicación, unas pocas unidades FREEcure pueden ser suficientes y, si es necesario, pueden complementarse con sistemas LED UV para requisitos adicionales de curado en profundidad.
Gracias a la elevada potencia UVC, en aplicaciones adecuadas puede reducirse el número de unidades UV necesarias para el proceso de curado. Esto puede ofrecer ventajas en cuanto al espacio necesario y a los costes energéticos, de mantenimiento y de funcionamiento.
La reducción realmente alcanzable del número de unidades y los posibles ahorros dependen, entre otros factores, de la formulación, la velocidad de producción, el espesor de la capa, el sustrato, el grado de curado requerido, la configuración de la instalación y el sistema de referencia correspondiente.
Perspectiva del operador: «¡Cura de maravilla!»
Las primeras pruebas con usuarios industriales confirmaron rápidamente la potencia y la fiabilidad del sistema. Durante los experimentos iniciales de curado, un operador comentó con su famosa frase: «¡Cura de maravilla!», una descripción muy acertada para una tecnología que ofrece un rendimiento radical sin los radicales de los fotoiniciadores. A pesar de su tono humorístico, la frase refleja el entusiasmo que despierta la rápida polimerización superficial de FREEcure y su resistencia inmediata al manejo.
Requisitos de los procesos modernos de impresión en bobina
Con formulaciones adecuadas, FREEcure permite un curado UV sin fotoiniciadores o con un contenido reducido de fotoiniciadores. Esto puede ser especialmente relevante para aplicaciones en las que los fotoiniciadores y sus productos derivados deban considerarse como posibles fuentes de migración.
Sin embargo, la migración real y la idoneidad para una aplicación de envase específica dependen del sistema completo de tinta, recubrimiento, sustrato y proceso.
Dependiendo de la aplicación, FREEcure también puede utilizarse sin inertización. Esto puede simplificar la integración del sistema. La necesidad de inertización depende de la formulación correspondiente y de los requisitos del proceso.
Conclusión
FREEcure combina un espectro de lámpara rico en UVC con formulaciones adaptadas a este espectro, ampliando así las posibilidades del curado UV. En aplicaciones adecuadas, los recubrimientos pueden curarse sin fotoiniciadores o con un contenido reducido de fotoiniciadores.
Para la impresión en bobina, esto abre posibilidades adicionales en cuanto al diseño del proceso, el número de unidades UV y la integración del sistema. Las ventajas para una línea de producción concreta deben evaluarse en función de la aplicación y de las condiciones específicas del proceso.
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