Kapitel5 Technologische Aspekte (theoretische Grundlagen des Verfahrens) 5 5.1 Technische Baugruppen an Offsetmaschinen und deren Funktion im UV-Offsetdruck Thomas Walther In diesem Kapitel wird die UV-Ausstattung beschrieben, die für eine effiziente Verarbeitung von UV-Druckfarben und -Lacken benötigt wird. Die Komponenten verschiedener Systeme werden erklärt und ihre Auswirkungen auf den Prozess beschrieben. 00 Das Kapitel ist in folgende Abschnitte gegliedert: 00 1. Die UV-Strahlung 2. Die UV-Lampe ( UV-Strahler ) 3. Die Reflektoren 4. Die Kühlung der UV-Strahler 5. Wärmemanagement 5.1.1 Die UV-Strahlung Viele Formen von Energie werden von der Sonne produziert, die bekanntesten sind Wärme und Licht. Die verschiedenen Strahlungen, die von der Sonne erzeugt werden, sind als Bänder im elektromagnetischen Spektrum definiert. Die Wellenlänge der Strahlung wird in Nanometer (nm) angegeben. 00
KAPITEL 5» Technologische Aspekte (theoretische Grundlagen des Verfahrens) Spektralbereiche Abb. 5.1 Elektromagnetisches Spektrum Für die UV-Trocknung wird der Bereich der UV-Strahlung genutzt, der den Wellenlängenbereich von 100 nm bis 380 nm, teilweise sogar bis in den sichtbaren Bereich hinein, umfasst. Oftmals wird auch UV-Strahlung als UV-Licht bezeichnet, was irreführend ist, da UV-Strahlung nicht sichtbar ist. UV-Strahlung gehört zur Gruppe der optischen Wellenlängen und kann wie das Licht anderer Wellenlängen oder Infrarotstrahlung gebrochen, reflektiert, transmittiert, absorbiert oder gebeugt werden. UV-Strahlung kann indirekt über Fluoreszenz sichtbar gemacht werden. 00 Abb. 5.2 Fluoreszenz 38
Technische Baugruppen an Offsetmaschinen und deren Funktion im UV-Offsetdruck «5.1 Die UV-Strahlung wird nach DIN 5031, Teil 7, noch in folgende Unterbereiche unterteilt: 00 UV-C: UV-B: UV-A: 100-80 nm 280-315 nm 315-380 nm Der UV-C-Strahlungsbereich Der UV-C-Bereich weist die energiereichste Strahlung auf, wobei die Eindringtiefe in die Farb- und Lackschicht der kurzwelligen Strahlung eher gering ist. Dieser Teil des Strahlungsspektrums ist für den Anstoß des Härtungsprozesses und für die Oberflächenhärtung verantwortlich. Unterhalb einer Wellenlänge von ca. 200 nm ist die Energie eines einzelnen ultravioletten Lichtquants ausreichend, um Elektronen aus Atomen oder Molekülen zu lösen, d.h. diese zu ionisieren. 00 Analog zur Radioaktivität und Röntgenstrahlung betrachtet man daher kurzwellige Ultraviolettstrahlung unterhalb ca. 200 nm als ionisierende Strahlung. Die UV- Strahlung ist die ionisierende Strahlung mit der geringsten Energie. Die Ionisierung von Sauerstoffatomen, die überall in der Atmosphäre vorkommen, kann zur Ozonbildung führen. Ozon (O 3 ) hat eine gesundheitsschädliche Wirkung auf Menschen (insbesondere auf die Schleimhäute) und eine korrodierende Wirkung auf Maschinen. 00 Ozon entsteht aus der Rekombination dreier reaktiver Sauerstoffatome, die von durch die UV-Strahlung erzeugten Sauerstoffmolekülen (O), gebildet werden. Der menschliche Geruchssinn nimmt Ozon schon ab einer Menge von 0,01ml/m³ in der Umgebungsluft wahr, wobei der MAK-Wert bei 0,1ml/m³, also dem 10- fachen Wert liegt. Deswegen müssen bei Strahlungsquellen, die Wellenlängen unterhalb von 200 nm abstrahlen, Ozonschutzmaßnahmen ergriffen werden. 00 39
KAPITEL 5» Technologische Aspekte (theoretische Grundlagen des Verfahrens) Abb. 5.3 Ozonreaktion Der UV-B-Strahlungsbereich UV-Strahlung mit einer Wellenlänge im UV-B-Bereich hat eine höhere Eindringtiefe und sorgt für die Durchhärtung von Farbschichten. 00 Der UV-A-Strahlungsbereich Der UV-A-Strahlungsbereich kommt dem sichtbaren Bereich am nächsten. Der für die Strahlungshärtung wirksame Wellenlängenbereich reicht teilweise bis in den sichtbaren Bereich hinein, dieser Bereich wird stellenweise auch als UV-V (V = visible) bezeichnet. Dieser längerwellige Wellenlängenbereich hat die höchste Eindringtiefe und ermöglicht auch die Durchhärtung stärkerer Lack- und Farbschichten. 00 Sonstige Strahlungsbereiche Neben der UV-Strahlung im UV-A, UV-B und UV-C erzeugen UV-Strahler bei der Gasentladung abhängig vom Strahlertyp auch sichtbare und Infrarot-Strahlung (Licht/Helligkeit und Wärme). 00 40
Technische Baugruppen an Offsetmaschinen und deren Funktion im UV-Offsetdruck «5.1 Abb. 5.4 Die Wellenlängenverteilung eines Quecksilbermitteldruckdampfstrahlers Ein weiteres Unterscheidungskriterium zwischen verschiedenen UV-Strahlungsquellen ist die Wellenlängenverteilung. Es wird grob zwischen zwei Strahlungsarten unterschieden: der polychromatischen Strahlung (von polychromos = vielfarbig), die ein Gemisch aus verschiedenen Wellenlängen darstellt und zweitens der monochromatischen Strahlung (von monochromos = einfarbig), bei der die abgegebene Strahlung nur aus einer Wellenlänge besteht. 00 Die weitaus meisten in der Druckindustrie eingesetzten Strahlungsquellen geben polychromatische Strahlung ab. Ein typischer Vertreter für eine solche polychromatische Strahlungsquelle ist der Quecksilberdampfstrahler. Monochromatische Strahlungsquellen werden nur vereinzelt in drucktechnischen Anwendungen eingesetzt. Ein typischer Vertreter einer monochromatischen Strahlungsquelle ist der Excimer-Strahler. 00 5.1.2 Die UV-Lampe ( UV-Strahler ) Der Quecksilberdampfstrahler Quecksilberdampfstrahler für den Einsatz in der Drucktechnik werden in Niederdruck- und Mitteldruckquecksilberdampfstrahler eingeteilt. Dabei bestimmt der 41
KAPITEL 5» Technologische Aspekte (theoretische Grundlagen des Verfahrens) Partialdruck des Quecksilbers in der Lampe die Charakteristik des Spektrums. In drucktechnischen Anwendungen werden zu 95% Quecksilber-Mitteldruckdampfstrahler eingesetzt. UV-Quecksilberdampflampen gehören zur Familie der Bogenlampen (Entladungslampen). 00 Die Strahlerröhre besteht aus einem Quarzglas, das für die UV-Strahlung zu ca. 90% durchlässig ist. An den Enden der Röhre sind Elektroden aus Wolfram in den Glaskörper eingeschmolzen. Diese Lampen sind gefüllt mit einem Inertgas (Edelgas) und Quecksilber. In den meisten Fällen wird als Inertgas Argon eingesetzt. Durch Anlegen einer Hochspannung an die Elektroden entsteht eine Glimmentladung. Diese führt zu einer Erwärmung der Elektroden. Ähnlich einer Glühkathode in einer Elektronenstrahlröhre/Braunschen Röhre, sendet die Kathode durch die Erwärmung Elektronen aus. Die kinetische Energie dieser Elektronen verursacht eine Stoßionisation des Edelgases. Die Zahl der freien Elektronen nimmt dadurch lawinenartig zu und es kommt zur Ausbildung eines Lichtbogens (Gasentladung), der das Quecksilber zum Verdampfen bringt. Es bildet sich ein Lichtbogen mit dem für Quecksilber typischen breiten Strahlungsspektrum aus. 00 Abb. 5.5 Typischer Aufbau eines Quecksilberdampfstrahlers Typisches Spektrum eines Quecksilberdampfstrahlers Den Grundstein für die Emission polychromatischer, ultravioletter Strahlung bildet stets ein so genanntes Plasma. In der Physik bezeichnet man als Plasma ein ionisiertes Gas, das zu einem Teil freie Ladungsträger wie Ionen oder Elektronen enthält. Das verwendete Plasma ist ein Gas, das aus einer Mixtur miteinander interagierender positiver Ionen, Elektronen und neutraler Atome/Moleküle und Photonen in ihrem Grundstadium oder einer energetisch höheren Stufe besteht. 00 42