Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
Einsatz einer UV-LED auf der Bandanlage des IPA
UV-Härtungsleitfaden für organische Beschichtungen
In Kürze
Ziel des Vorhabens war die Charakterisierung von Anlagenparametern, von Rohstoffeigenschaften sowie von Eigenschaften der ausgehärteten Lackfilme, um eine Wissensbasis für das optimale Zusammenwirken dieser Parameter zu generieren und mit der noch relativ neuen UV-LED-Technologie zu guten Lackfilmeigenschaften zu kommen.
Im Detail
UV-härtende Lacksysteme erlauben aufgrund ihrer sehr kurzen Aushärtungszeit bei der industriellen Beschichtung eine hohe Effizienz und kommen daher oftmals in Anlagen mit kurzen Durchlaufzeiten, wie in der Parkett- und Möbelindustrie oder im grafischen Gewerbe zum Einsatz. Mit der Entwicklung neuer Lichtquellen in Form von UV-LEDs bietet sich die Möglichkeit, die bisher verwendeten Quecksilberdampfstrahler durch eine noch energiesparendere Alternative zu ergänzen oder zu ersetzen. Weitere Vorteile sind eine weitgehende Vermeidung von Wärmestrahlung (sodass auch temperaturempfindliche Substrate beschichtet werden können) sowie die Vermeidung quecksilberhaltiger Gerätekomponenten.
Zur Charakterisierung der Strahler, insbesondere der LED-Strahler ist ein spektral auflösendes Radiometer am besten geeignet. Breitbandradiometer sind nur zur Überwachung der Stabilität bestehender Anlagen sinnvoll, insbesondere, wenn diese mit Hg-Lampen ausgerüstet sind.
Die Absorptionsspektren der Initiatoren werden in den Technischen Datenblättern der Hersteller gut wiedergegeben. Zerfallsprodukte der Initiatoren absorbieren in bestimmten Wellenlängenbereichen teilweise stärker als die Initiatoren selbst und führen bei manchen Initiatortypen zu Vergilbung. Die Initiatoren und ihre Zerfallsprodukte nach Bestrahlung konnten in einem 2K-PUR-Klarlack mit geringer UV-Absorption gut untersucht werden.
Bindemittel und Reaktivverdünner absorbieren unter 320 nm stark. Diese Wellenlängen tragen daher nicht zur Tiefenhärtung bei. Im Bereich der UV-LEDs sind Bindemittel und Reaktivverdünner transparent.
Die Dosis zur ausreichenden Härtung ist vom Strahlertyp und Initiatortyp abhängig. Wenig Initiator ergab unvollständige Härtung an der Oberfläche, unabhängig von der Strahlungsquelle (Sauerstoffinhibierung).
Die Tiefenhärtung ist vom Typ des Initiators und dessen Konzentration abhängig; höhere Konzentrationen ergeben tendenziell geringere Tiefenhärtung, was mit Abschattung durch die Initiatoren im oberflächennahen Bereich erklärt werden kann.
Bei einem Initiatortyp wurde bei niedrigen Dosen eine Erhöhung der Glasübergangstemperatur (Tg) mit steigender Dosis beobachtet, bei anderen hatte die Dosis keine Auswirkung auf die Tg. Verschiedene Initiatoren in sonst gleichen Formulierungen ergeben Unterschiede in der Tg, was darauf hindeutet, dass die Struktur der gebildeten Netzwerke auch vom Initiatortyp abhängt.
Während der UV-Härtung nicht abreagierte Restanteile an C=C-Doppelbindungen wurden bei künstlicher Bewitterung sehr schnell verbraucht.
Das IGF-Vorhaben 20127N der Forschungsvereinigungen „Forschungsgesellschaft für Pigmente und Lacke e. V.“ wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Autoren:
Dr. rer. nat. Katharina Weber, Dr. rer. nat. Rolf Nothhelfer-Richter,
Dr. rer. nat. Norbert Pietschmann
Abteilung Beschichtungssystem- und Lackiertechnik
Gruppen Analytik und Stoffprüfungen sowie Lackchemische Anwendungstechnik