Vurdering af UV-hærdende trykfarver og -lakker i et samlet miljøperspektiv

3 Miljøforhold ved brug af UV-hærdende farver og lakker

3.1 VOC emission
3.2 Energiforhold
3.3 De-inking af tryksager
3.4 Migration af restmonomerer
3.5 Lugt

De forhold vedrørende miljø, som er særligt interessante i forbindelse med overvejelsen af UV-hærdning som alternativ til andre tørringsprincipper, er

a) Reduktion af VOC-emissionen.
UV-farver indeholder ikke organiske opløsningsmidler i normal forstand. Når de derfor erstatter solventfarver og -lakker, opnås der en regulær reduktion af VOC-emissionen. Antages det - hvilket formodentlig er urealistisk -, at man på alle de i denne rapport beskrevne områder erstatter solventfarver og -lakker med UV-farver og -lakker, vil reduktionen af VOC-emissionen være på ca. 1.100 t/år - eller 73% af den samlede VOC-emission fra grafisk industri i Danmark med udgangspunkt i 1990-tal.

b) Energiforhold.
Der kræves, teoretisk set, mindre energitilførsel til hærdning af UV-farver og lakker end til fordampning af opløsningsmidler i traditionelle solventbaserede farver og lakker. Dette forhold alene kunne tyde på en energibesparelse. I praksis må man dog tage hensyn til tørreaggregaternes virkningsgrad og muligt energiforbrug eller energigevinst ved tilknyttede, sekundære processer, som f.eks. efterbrænding af opløsningsmiddeldampe (se afsnit 3.2).

c) De-inking af tryksager
Tryksager og emballager trykt med UV-farver og -lakker kan i stor udstrækning bortskaffes/genbruges på samme måde som tilsvarende produkter trykt med traditionelle farver. Der er ingen grund til at antage, at UV-farver har større indhold af miljøskadelige stoffer som f.eks. tungmetaller end traditionelle farver. Voksende mængder tryksager på papir med UV-farver og -lakker frygtes dog at ville belaste de nuværende anlæg for de-inking (se afsnit 3.3). Hvor der stilles særlige krav til bortskaffelse og/eller genanvendelse, f.eks. EUs emballagedirektiv, henvises til oplysninger fra farveleverandøren.

d) Migration af restmonomerer
Der er en risiko for, at restmonomerer i UV-farver og lakker kan migrere gennem plastemballage og forurene f.eks. indpakkede fødevarer (se afsnit 3.4). Selvom det ikke er et regulært miljøproblem, men et sundhedsproblem, er det taget med i dette afsnit.

e) Lugt
UV-hærdende farver og lakker har en anden lugt end traditionelle trykfarver og lakker. Dette kan muligvis udgøre en gene for både arbejdere og virksomhedernes omgivelser. Også de trykte produkter kan i visse tilfælde have en ubehagelig lugt (se afsnit 3.5).

I kapitel 9 samles de nævnte overvejelser med henblik på at kunne vurdere fordele og ulemper i forhold til hinanden. En kvantitativ livscyklusanalyse kan ikke præsenteres på baggrund af dette projekt.

3.1 VOC-emission

Som beskrevet flere gange tidligere indeholder traditionelle trykfarver til flexografi, dybtryk og serigrafi og en lang række lakker flygtige organiske opløsningsmidler (VOC). Det væsentligste miljømæssige argument til fordel for UV-hærdende produkter er derfor, at de angiveligt ikke indeholder VOC i normal forstand.

Definitionen af en VOC er ikke klar, men her anvendes et grænsedamptryk på 0,1 kPa ved 20°C. Ligger et stofs damptryk over denne grænse betegnes stoffet som en VOC.

Det er rimeligt at undersøge, om nogle af de reaktive monomere acrylater, der anvendes som fortyndingsmidler i UV-hærdende produkter er så flygtige, at de falder ind under definitionen for VOC.

Det har været umuligt at fremskaffe oplysninger om damptryk for de kendte reaktive monomerer som f.eks.TMPTA og HDDA, men damptryk af acrylsyre og simple acrylater kan findes i tabelværker /20/. Her er f.eks. fundet følgende damptryk:

De to førstnævnte stoffer anvendes ikke i UV-farver og -lakker.

Det må heraf rent logisk kunne sluttes, at damptryk for de større acrylat molekyler, som er relevante som reaktive monomerer i UV-hærdende produkter, er så lave, at de falder uden for definitionen for VOC (se skema 2.2). Noget bevis er der dog ikke tale om.

Til sammenligning er damptrykket for almindelige opløsningsmidler i solventbaserede farver og lakker inden for flexografi f. eks:

altså 100-500 gange større end 2-EHA.

En af de mulige bestanddele af UV-farver med lille molekyle, n-vinylpyrrolidon, NVP, har ligesom ovennævnte n-butylacrylat et kogepunkt på 148°C og formodentlig et nogenlunde sammenligneligt damptryk. NVP vil derfor formodentlig falde ind under definitionen for VOC. Da NVP er mistænkt for at være kræftfremkaldende, er det et af de produkter, der efter trykfarveleverandørernes oplysninger er udgået af recepterne. Hvis man alligevel støder på farver og lakker der indeholder NVP, bør de således af flere årsager undgås. Damptryk af andre reaktive fortyndere er så lavt, at det ikke har kunnet måles /21/.

3.2 Energiforhold

Energiforbruget ved UV-hærdning af trykfarver er som udgangspunkt relativt stort. Det samlede energiforbrug ved de forskellige anvendelser afhænger af antallet af lamper, deres intensitet og trykhastigheden.

Den enkelte UV-lampe består af et rør af varierende længder. Ved etikettrykning kræves et almindelig rør på ca. 2,5 kW, hvilket betyder at en trykmaskine med 6 værker, hvor der typisk sidder to lamper i forbindelse med hvert værk, har et energiforbrug på 30 kW alene til lamperne - og kun 20-30 % af denne energi resulterer i de aktive stråler i hærdeprocessen. Ved bredbane flexografi, hvor både trykhastigheden og banebredden er større, kan effektkravet, som ligge helt op til 240 kW pr. trykmaskine.

Det er et spørgsmål, om UV teknologien virkelig er en renere teknologi, når den er så forholdsvis energikrævende. Svaret er sikkert afhængigt af, hvilken trykmetode, der tales om. En sammenligning mellem UV-farver, vandbaserede farver og solventfarver til bredbane flexografi giver følgende energiregnskab for en typisk 8-farve trykmaskine /15/:

Skema 2.4. Energiregnskab for henholdsvis UV-farver, vandfarver og solventfarver på en stor 8-farve flexomaskine./15/

Ovenstående tal virker lidt tilfældige, og man kunne ønske, at der blev foretaget mere tilbundsgående undersøgelser af energiforholdene. Tallene afslører ingen umiddelbar forskel i energiforbrug mellem de tre nævnte principper, dog formodes værdierne at variere en hel del afhængigt af f.eks. krav til rensning af luft fra solventfarver og vandfarver.

Rent økonomisk udgør energiomkostningerne kun et par % af de samlede produktionsomkostninger, og energiforbruget er derfor, set fra dette synspunkt, ret uinteressant. Rentabiliteten skal ses i en større sammenhæng, for nok er lamperne dyre og energikrævende, men der kan eventuelt produceres hurtigere og man sparer tid til afvaskninger. Erfaringer fra danske virksomheder inden for etiket-, lakerings- og bliktryksektoren har vist, at produktionssikkerheden ved UV-teknologi er større end ved brug af solventfarver og -lakker, og at kassation på grund af afsmitning og lignende ikke længere forekommer. Derudover har UV-teknologien for de besøgte virksomheder betydet et plus til arbejdsmiljøet i form af renere luft.

Energiforbruget ved anvendelse af UV-teknologi hænger nøje sammen med lampernes virkningsgrad. En større koncentration af energirige UV-C stråler lige netop på det trykte materiale, og en mindre generering af langbølgede stråler, især synligt lys og IR-stråling, vil kunne medføre et bedre energiregnskab.

Brug af UV-blitz lamper vil eventuelt kunne give et mindre, samlet energiforbrug, men teknologien er ikke tilstrækkelig afprøvet i praksis. (Se afsnit 3.2)

Ved at fortrænge oxygen fra hærdezonen og i stedet lade hærdningen af UV-farverne og lakkerne foregå i en nitrogenatmosfære mindskes kravet til strålingsintensiteten og dermed også energiforbruget. Det lavere energiforbrug vil samtidig nedsætte behovet for køling ved flexotryk. Denne teknologi er set anvendt ved prøvetrykninger i Tyskland (Se afsnit 7.2).

På baggrund af de fundne oplysninger må man konkludere, at den tilgængelige viden på området er upræcis og utilstrækkelig. Energiforholdene ved hærdning af trykfarver og -lakker bør undersøges nærmere. En sådan undersøgelse vil dog være for omfattende til at dækkes af dette projekt.

3.3 De-inking af tryksager

UV-teknologien anvendes som tidligere nævnt inden for flere områder af den grafiske branche. I dag trykkes således etiketter, plastemballager som spande og bægre samt metaldåser med UV. Det område, hvor UV-teknologien sandsynligvis vil vinde frem, er inden for flexotryk til trykning på flexible emballager. Ingen af disse anvendelsesområder har relevans for de-inking i papirindustrien.

Den anvendelse af UV teknologien, der skal fokuseres på, når det drejer sig om de-inking af papir, er anvendelsen af UV-lak på tryksager trykt f.eks. i offset. Disse tryksager, som f.eks. kan være pjecer, tidsskrifter, foldere eller blot omslag til samme, indsamles i nogen grad til genanvendelse, mens formodentlig en anseelig del sammen med andet brændbart affald ender i forbrændingsanlæggets ovn, hvor brandværdien udnyttes til varme.

De-inking processen er en afsværtningsproces, som har til formål at rense genbrugspapiret for farve og lak samt fjerne lim og andre urenheder, således at nyt papir kan fremstilles af fibrene i stedet for at anvende jomfruelige fibre /22/, /23/, /24/.

De-inking af papir kan foretages efter 2 hovedprincipper: vaskning og flotation. De indledes begge med at papiret opslemmes i rigelige mængder vand under mekanisk (og kemisk) påvirkning. Under denne proces frasorteres plast, hæfteklammer og andre større urenheder.

Ved vaskning, som er den fremherskende de-inking proces i USA fortsættes denne gennemskylning af papirmassen, hvorved farvepartiklerne og mange af det oprindelige papirs fyldstoffer udvaskes, mens de rene cellulosefibre opkoncentreres og kan genanvendes til nyt papir. Metoden er meget vandkrævende og ikke tilstrækkelig effektiv til at fjerne UV-lak og til dels -farve, idet dette løsnes i større flager på 50-100 µm, mens vaskning fortrinsvis fjerner partikler på < 10 µm. Grunden til at UV-lak og i mindre grad UV-farve løsnes i større flager end f.eks. offset farve og lak skyldes at disse produkter i hærdeprocessen har dannet et tæt netværk, der er vanskeligt at "få hul på".

Ved flotationsprocessen, som er fremherskende i Europa og Japan, tilsættes papirmassen forskellige kemikalier, der bl.a bevirker en opsvulmning af cellulosefibrene, som derved "afstøder" farven. Papirmassen gennembobles af luft, der ved hjælp af overfladespændingen binder de afstødte farve- og lakpartikler til sig og fører dem til overfladen, hvor de afskummes. Processen er væsentlig mere vandbesparende end vaskeprocessen og lader samtidig en del af papirets fyldstoffer tilbage i papirmassen. Processen kan gentages et passende antal gange i efterfølgende flotationskar for at opnå et tilfredsstillende resultat.

Flotationsprocessen fjerner partikler på 2-100 µm, selvom nye undersøgelser antyder større effektivitet. UV-flagerne på 50-100 µm burde således kunne fjernes ved flotationsprocessen, men praksis viser, at flagerne er meget vanskelige at få trukket ud af papirmassen.

For at fjerne UV-flagerne fra papirmassen har man eksperimenteret med centrifugering, en forøgelse af papirmassens pH-værdi samt en forøgelse af procestiden men uden resultat. Tilsætning af natriumhydroxyd reducerer derimod partikelstørrelsen, men ødelægger samtidig celluloseefibrene, og kan derfor ikke anbefales.

Knusning eller varmepåvirkning af UV-flagerne efterfulgt af en vaskning og/eller blegning af papirmassen kan benyttes for at opnå en tilstrækkelig hvidhed i papiret.

Der foregår et betydeligt samarbejde mellem farveleverandører og genbrugspapirindustrien. Således kan der allerede i UV-lakkens tilblivelsesproces tænkes på at lette den senere recirkulation. Der introduceres UV-lakker på markedet med en større sensibilitet til natriumhydroxyd, hvilket betyder, at de lettere kan glide ind i den eksisterende recirkulation uden at give problemer med flager i papiret.

Alt returpapir kan genanvendes til f.eks papemballage. Problemet er at fremstille højkvalitetsprodukter af genbrugspapir, hvilket vil sige papirkvaliteter, der kan måle sig med de kvaliteter, der er lavet af jomfrueligt papir.

Returmateriale indeholder i dag en så tilpas lille procentdel af papir med UV-hærdende farve og lak, at papirfabrikkerne endnu kan klare at levere en tilfredsstillende kvalitet af genbrugspapir. Men med et stigende forbrug af UV-produkter forudser man, at nye de-inking metoder må udvikles eller som ovenfor nævnt, at farverne og lakkerne "forberedes" til recirkulering, hvis ikke vanskeligt de-inkbare produkter skal holdes ude af returpapirstrømmen.

Man skal ikke forkleine de problemer genbrugsindustrien har med de-inking af genbrugspapir men tænke på, at UV-teknologiens hovedanvendelse, som beskrevet i indledningen, ligger andre steder end trykning på papir, og dermed på områder, der ikke vedrører papirgenbrug.

3.4 Migration af restmonomerer

UV-hærdende trykfarve/lak hærder ved polymerisation, hvorved acrylaterne bindes sammen i store molekylnetværk. Hærdningen tilstræbes at blive fuldstændig, således at samtlige "aktive grupper" både i præpolymererne og i monomererne bindes. Forløber polymerisationen ikke helt til ende, eller kan to aktive grupper ikke "nå" hinanden, vil der i den hærdede farve/lak findes restmonomerer. Disse restmonomerer kan senere være årsag til kontaktallergi ved berøring, eller de kan trænge fra farve/laklaget ind i det omgivende stof - altså migrere. Migration er særlig vigtig at beskæftige sig med, når det drejer sig om emballering af levnedsmidler.

Man skelner mellem global migration og specifik migration, hvor global migration er den totale migration af samtlige stoffer f.eks. fra emballage til det emballerede, mens specifik migration er migration af et enkelt kemisk stof.

Migration forekommer overalt hvor to stoffer har kontakt med hinanden, men vil være specielt udpræget, hvor det emballerede indeholder stoffer, der er kemisk aktive i forhold til emballagen eller omvendt. Foruden stoffernes kemiske sammensætning afhænger migration af koncentrationen af det migrerende stof og dets molekylstørrelse, af emballagens beskaffenhed (tykkelse og materiale) samt af tid og temperatur /25/, /26/.

Plastemballager er et relativt velundersøgt område, idet også restmonomerer i plasten, farvestoffer/pigmenter og forskellige tilsætningsstoffer kan migrere til det emballerede produkt bestemt af ovenstående parametre.

Der er en almindelig udbredt frygt for, at acrylater, der kan forekomme som restmonomerer i trykfarvelaget på levnedsmiddelemballager, udgør en potentiel risiko for kontaminering af levnedsmidlerne, og denne frygt udgør p.t. en alvorlig hindring for udbredelsen af UV-baserede farver og lakker til flexibel levnedsmiddelemballage. Emballageleverandørerne vil i givet fald kunne drages til ansvar for forurening af levnedsmidlerne. Migration fra UV-farver/lakker er specielt aktuel, når det trykte materiale kommer i direkte kontakt med fødevarer. UV-produkter er derfor p.t. ikke godkendt i EU til direkte fødevarekontakt. For eksempel må indersiden af dåser endnu ikke lakeres med UV-lak.

Selvom direkte kontakt mellem UV-farve og levnedsmiddel forsøges undgået, kan der optræde en "indirekte-direkte" migration, f.eks. hvor nytrykte bægre og spande stables, eller hvor materiale rulles op. Her kan dårligt hærdet farve fra ydersiden af en emballage smitte af på indersiden af en anden emballage. Men også hvor direkte kontakt mellem UV-farve og levnedsmiddel ikke er til stede, er der risiko for, at restmonomerer kan vandre igennem emballagematerialerne ved diffusion.

For at minimere migration i fødevareremballager, så direkte fødevarekontakt og dermed direkte migration er udelukket, er det muligt at anvende laminerede materialer, hvor UV-farven ligger indkapslet mellem to plastfolier. (Sandwichtryk, se afsnit 6.3.3). Vælges plastfilm, som giver minimal diffusion af acrylatmonomerer minimeres samtidig den indirekte migration.

Den bedste måde at minimere migration på er at sikre, at farve/laklaget på emballagen er gennemhærdet, således at der ikke findes restmonomerer, der kan migrere. Dette er i praksis umuligt, og derfor ville det være ønskeligt at kunne måle gennemhærdningsgraden for et tryk for dermed få et indirekte udtryk for restmonomerindholdet i farvelaget. Helst skulle dette kunne foretages i trykkeriet i forbindelse med trykprocessen, således at hærdningsprocessen her kan gøres så fuldstændig som mulig og risikoen for migration herved begrænses.

Samtidig ville det være ønskeligt at få udfærdiget retningslinier - gerne internationale retningslinier - for det højst tilladte restmonomerindhold i det færdigtrykte materiale, således at målingerne kan relatere sig til fastlagte normer.

Det bør dog bemærkes, at et stort restmonomerindhold ikke nødvendigvis er et udtryk for stor migrationsrisiko, idet restmonomerer kan ligge indkapslet i polymernetværket, således at migrationsrisikoen er kraftigt reduceret.

Der findes allerede flere mere eller mindre let tilgængelige metoder til at måle eller vurdere hærdningsgraden i et tryk.

En metode er IMS-testen (Ion-mobilitets-spektrometri) hvor man v.h.a. ionisering i et elektrisk felt får et udtryk for restfotoiniatorindholdet og dermed indirekte restmonomerindholdet i den hærdede farve. Testen er dog ikke egnet til at foretage i forbindelse med trykprocessen i trykkeriet.

En anden, men langt mindre præcis metode til at vurdere restmonomerindholdet i et farvelag, er Acetone testen, hvor en given mængde acetone i et givet tidsrum påvirker det hærdede tryk. Herefter foretages en subjektiv vurdering af, om trykket er gennemhærdet, idet kun ikke-bundne monomerer kan opløses af acetonen og "tvære trykket ud".

Ingen af disse tests anvendes til daglig i virksomhederne i forbindelse med UV-trykning. I stedet har hvert trykkeri tilsyneladende udviklet egne tommelfingertests, der kontrollerer om trykkene er gennemhærdet. Eksempler på disse tests kan være:

Tape-testen, hvor tapen påføres det færdighærdede produkt. Hvis der afrives farve, når tapen rives af, er farven ikke hærdet godt nok. Testen foretages med passende mellemrum løbende gennem produktionen.

Gnide og kradse tests foretages ofte flere steder i produktionsforløbet, både på de nyhærdede tryk ved evt. efterbehandling og pakning. Gnidetest foretages ved at folde trykket farvelag mod farvelag, eller tage to emner og gnide farvelagene kraftigt mod hinanden for at konstatere, om der er afsmitning. Kradsninger foretages med neglen (kan være problematisk) eller med en passende hård genstand.

Afvaskning af farve med opløsningsmidler (f. eks. ethylacetat) er inden for visse produkttyper en meget anvendt test. Sker der en opløsning af farven, eller en efterfølgende afsmitning, er farvelaget ikke gennemhærdet.

Det faktum, at risikoen for migration foreligger, bør ikke mindske branchens interesse for UV-flexo trykning, men tværtimod skærpe interessen og indsatsen for at udvikle og forbedre teknologien. Dette kan bl.a. gøres ved at udvikle nye farvetyper, f.eks. kationiske farver eller farver med mindre indhold af monomerer, mere effektive lampesystemer, nye folier og laminater, som reducerer eller eventuelt helt forhindrer migration og let anvendelige metoder til måling af gennemhærdningen i tryk.

UV-trykteknikken har i sit relativt korte livsforløb gennemgået en rivende udvikling, og der har hidtil været stor interesse for forskning og udvikling på dette område. Problemerne omkring migration til levnedsmidler har ikke været genstand for samme opmærksomhed, og her ville det være relevant at foretage undersøgelser idet både forøget viden, erfaring og oplysning vil kunne mindske den udbredte tvivl og tilbageholdenhed, der præger området i dag.

3.5 Lugt

Ofte opfattes ubehagelig lugt som et signal på farlige stoffer eller dampe. Dette behøver dog ikke altid at være tilfældet. Her omtales nogle kendte lugtgener i forbindelse med brugen af UV-hærdende farver og -lakker og deres mulige årsager. UV-trykfarver og lakker har en markant og anderledes lugt end traditionelle trykfarver og lakker, hvilket beror på deres indhold af acrylater og fotoinitiatorer. Lugten er vanskelig at beskrive, men omtales oftest som fad, "kunstig" eller jordagtig. Ikke alle acrylater og fotoinitiatorer lugter ens.

Valget af råvarer til og selve fremstillingsprocessen for UV-farver og -lakker har indflydelse på lugten, idet "billige" fotoinitiatorer, der ikke er renset effektivt nok for urenheder, kan forårsage lugtgener, når produkterne anvendes.

Foruden UV-trykfarverne og lakkernes egen lugt kan der ved anvendelsen forekomme lugtgener, hvis opståen kan være vanskelig at stadfæste. Disse lugtgener vil ofte stamme fra en kemisk reaktion mellem et stof i UV-farven og et stof i det materiale, der trykkes på, f.eks. kan UV-trykfarve reagere med additiver i plast. Endelig kan UV-lamperne være en indirekte årsag til lugtgenen, hvis varmen herfra forårsager overophedning af valserne, plastmaterialet eller andre komponenter i trykprocessen, så fordampning eller kemiske processer initieres.

Erfaringerne fra de virksomheder, der anvender UV-farve, er, at man ikke anser lugt som et problem. Man skal blot vænne sig til, at farverne lugter anderledes end solvent- eller vandfarver. Derimod kan det være vanskeligt at få tryksagskunder til at acceptere den "anderledes" lugt, og reklamationer herover kan i værste tilfælde betyde kassation og omtrykning af oplaget.

Det er normalt, at levnedsmiddelemballager skal være lugtfri eller i det mindste meget lugtsvage. Man anvender derfor specielle lugtsvage trykfarver, og sørger for god gennemtørring af solventfarver. Det vil også være nødvendigt, at der til levnedsmiddelemballager vælges lugtsvage UV-hærdende produkter, som må fremstilles af særligt udvalgte og rene råvarer.

Det hører absolut til sjældenhederne, at lugtgenerne ved anvendelse af UV-hærdende teknologi har et omfang, så naboer til trykkerier bliver generet. En enkelt virksomhed eller to har modtaget klager fra omkringboende.