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

7 Afprøvning af UV-teknologi

7.1 Danske prøvekørsler i bredbane flexografi
7.2 Trykforsøg i Leipzig

7.1 Danske prøvekørsler i bredbane flexografi

Der blev i 1996 gennemført indledende forsøgstrykninger på Dansk Flexo Center, Kolding Tekniske Skole, Grafisk Afdeling. Der foreligger ikke skriftlig dokumentation fra forsøgstrykningerne, bortset fra bemærkningerne i denne rapport. Derimod er der optaget en privat video på foranledning af foreningen Dansk Flexo Forum.

Forsøgstrykningerne blev gennemført før dette projekts start, nemlig den 27. og 28. februar 1996 på initiativ af Dansk Flexo Forum, en privat interesseorganisation med medlemmer fra flexotrykkerier og andre virksomheder, som arbejder med flexografi, herunder en del leverandører af materialer og maskiner. Forsøgsledelse var Kent Jørgensen og Jens Porsgaard fra Kolding Tekniske Skole.

Formålet med forsøgstrykningerne var at gennemføre en indledende undersøgelse af, om trykning i bredbane flexografi med UV-hærdende farver og brug af såkaldte kolde UV-lamper kan give acceptable resultater.

Baggrunden for gennemførelse af forsøgstrykningen er den store interesse i emballagebranchen for at undgå solventbaserede farver inden for flexotrykning af flexible emballager, det vil primært sige poser og "wrappers" af plast og laminater.

UV-hærdning kræver stor energitilførsel, som normalt medfører kraftig opvarmning af både modtrykcylinder og substrat og heraf følgende problemer af trykmæssig art. Nye lampekonstruktioner har prøvet at løse dette på forskellig vis, blandt andet ved at fjerne varmen fra lampehuset og derved undgå for kraftig opvarmning af substrat og maskindele. Flere sådanne lampekonstruktioner er på markedet, men specielt en dansk produceret lampe /36/ er lovende, og det var blandt andet for at afprøve denne lampe, at forsøgstrykningerne blev gennemført.

Til forsøgstrykningerne har man anvendt Dansk Flexo Centers trykmaskine, en satellit flexomaskine med 4 trykværker, fabrikat Windmöller und Hölscher, model 724. Trykmaskinen har en maksimal banebredde på 1200 mm, som dog ikke kan udnyttes fuldt ud til trykning, idet den maksimale bredde af trykbilledet er 1077 mm. Ved forsøgstrykningen anvendte man dog kun en 600 mm bred bane. Motivet, som blev trykt, havde kun en bredde på 300 mm, altså svarende til mellem en fjerdedel og en tredjedel af det maksimale. Ved at begrænse trykbredden kunne man ved prøvekørslen nøjes med at installere korte UV-lamper.

Til brug ved forsøgstrykningerne blev 6 stk. 30 cm lange, kolde lamper fra Dansk Proces Lys (DPL) installeret på maskinen, hver med en effekt på 100 W/cm, dvs. i alt 18 kW. Nogen egentlig ombygning af maskinen var ikke nødvendig. Samtidig installerede man det nødvendige elektriske styresystem.

Temperaturregulering af maskinen bestod i den normale køling af modtrykcylinderen med cirkulerende kølevand. Samtidig blev lampehusene kølet med vand. Mængden af cirkulerende kølevand blev ikke registreret. Derimod registrerede man med tilfredshed, at modtrykcylinderen kunne holde en nærmest konstant temperatur på 34°C. Lamperne blev ved forsøgstrykningerne kølet med vand direkte fra vandhanen. Mængde og temperatur blev ikke registreret.

Til forsøgstrykningerne blev der anvendt trykfarver fra Akzo Nobel Inks af typen Flexo Cure. Der blev brugt de sædvanlige kulører til 4-farve trykning: magenta, cyan, gul og sort.

Der blev trykt på flere forskellige materialer, først på hvid, treated polyethylen folie, som er et meget udbredt materiale til blandt andet plastbæreposer.

Desuden blev der udført forsøgstrykning på et andet, almindeligt plastmateriale til flexible emballager og hvid liner (overfladepapir, som anvendes til bølgepap) for et par industrivirksomheder, som ønskede at foretage efterfølgende egne undersøgelser. Resultaterne af disse undersøgelser er ikke almindeligt tilgængelige.

Rengøring af trykform, aniloxvalser, farvekasser, pumper og slangeforbindelser blev udført med Dowanol (methoxypropanol), som er et almindeligt anvendt opløsningmiddel til dette formål inden for flexografi.

Aniloxvalserne var af fabrikat Praxair med 300 kopper pr. løbende cm. Kopdybden var 7µ og kopvolumenet svarede til 5,8 g farve pr. m².

Til forsøgstrykningerne blev der anvendt trykforme af fabrikat BASF, type 114. Motivet på trykformen var en traditionel testform med et 4-farve billede, rasterfinhed: 60 linier pr. cm, samt farveatlas, fuldtoner, tekst og kontrolstrips. Testformen er beregnet til at afprøve de væsentligste tryktekniske kvalitetsparametre.

Forsøgstrykningen blev gennemført i løbet af et par arbejdsdage. Trykhastigheden varierede under prøvetrykningen, men nærmede sig på intet tidspunkt almindelig produktionshastighed. Trykhastigheden var angiveligt højst 80 m/min. Der blev løbende holdt øje med temperaturen på modtrykcylinderen, ligesom der blev udtaget trykprøver til visuel bedømmelse. Trykmaskinen arbejdede i korte perioder over i alt 2 arbejdsdage.

Der blev opnået en trykkvalitet, der på alle områder mindst er på højde med tilsvarende trykning med solventbaserede farver. På visse områder, f.eks. hvad angår farveintensitet (density) i trykket, er der tale om en klart forbedret kvalitet.

Under de givne forhold holdt man god kontrol over temperaturen af modtrykcylinderen, der som nævnt ikke oversteg 34°C, hvilket må anses for at være absolut tilfredsstillende. Normalt kræves det, at temperaturen kan holdes inden for et interval på ±0,2°C, men det er ikke oplyst, om man kunne opfylde dette krav ved forsøgstrykningen.

UV-farvernes hærdningsgrad blev kontrolleret ved hjælp af en manuel tapeprøve, som faldt tilfredsstillende ud, men som kun angiver i hvor høj grad vedhæftningen af trykfarve til substratet er tilfredsstillende. Der var ved prøvetrykningen ikke adgang til udstyr til måling af polymerisations graden eller koncentrationen af restmonomerer i trykfarvelaget.

7.2 Trykforsøg i Leipzig

Det havde været planen, at foretage endnu en række forsøgstrykninger på Dansk Flexo Center i Kolding med det formål at undersøge UV-teknologiens anvendelighed under normale produktionsvilkår, dvs. med fuld banebredde på maskinen (120 cm), lamper der svarer til denne banebredde, og hastigheder, der svarer til høj produktionshastighed, dvs. 200-250 m/minuttet.

Af økonomiske årsager viste det sig desværre ikke muligt at gennemføre en fornyet forsøgstrykning under de nævnte forhold, da det ville kræve ret store beløb at forsyne trykmaskinen med de nødvendige lamper, styresystem og kølesystem.

Enkelte industrivirksomheder har ganske vist udvist meget stor interesse for fornyede forsøgstrykninger og har været villige til at dække deres del af omkostningerne, men andre har ikke kunnet deltage. Yderligere forsøg i Kolding, som var planlagt, måtte derfor aflyses.

Da det i mellemtiden viste sig, at man på Institut für Oberflächenmodifizierung (IOM), Abteilung Elektronstrahlentechnik i Leipzig /16/ løbende gennemfører forsøgstrykninger som de ønskede, etablerede Den Grafiske Højskole og Dansk Flexo Center en kontakt hertil, og tre projektmedarbejdere - herunder en person med stor trykteknisk kompetence - fik lejlighed til at overvære en forsøgstrykning og drøfte problemstillinger og resultater med projektleder, Diplom-Ingenieur Peter Klenert, IOM. Afdelingen udfører både grundforskning og anvendt forskning og udvikling inden for ionstråling, elektronstråling og UV-stråling til brug bl.a. ved hærdning af farver og lakker.

Inden for trykområdet interesserer man sig på instituttet både for offset, flexografi og dybtryk, hvor man har et 3-årigt projekt, der har været i gang siden 1995. Der er i Tyskland på nuværende tidspunkt to store emballagetrykkerier, som hver har en flexopresse, der er indrettet til tryk af flexible emballager med UV-hærdende farver. Disse maskiner producerer løbende med absolut tilfredsstillende trykresultat. Det har ikke kunnet lade sig gøre at få tilladelse til at besøge disse trykkerier eller få detaljerede oplysninger. Det forlyder dog, at fjernelse af varme fra UV-lamperne udgør en betydelig belastning og gør teknologien mindre rentabel. Dette er formodentlig hovedårsagen til, at der på trods af stor interesse i den tyske flexoindustri ikke er flere, der har accepteret UV-teknologien. Projektet på IOM forventes at give vigtige informationer, som kan forøge udbredelsen.

Udover forsøg med UV-hærdende farver og lakker, arbejder IOM også med UV og elektronstrålehærdning (electron beam = EB) af lime til bl.a. laminering. Særligt gode resultater er her opnået ved kombineret UV- og EB-bestråling.

IOM's arbejde er sponsoreret af en række industrivirksomheder, og den tyske stat har angiveligt ydet ca. 5 millioner D-mark til det aktuelle projekt.

Trykmaskinen var ved den her beskrevne forsøgstrykning forsynet med 7 polychromatiske UV-lamper af fabrikat Hereaus Noble Light. Lamperne blev kølet med vand. Der forelå desværre ikke registreringer af vandmængde eller kølevandstemperatur.

Lampehusene var specialbygget på en sådan måde, at der i overfladen af substratet var et lille kammer for hvert trykværk, som løbende blev forsynet med nitrogen fra en fordelingspult. Farven var således ikke i kontakt med atmosfærisk luft i selve hærdeøjeblikket.

Nitrogenkammeret var forbundet med en oxygendetektor, så man løbende kunne kontrollere mængden af oxygen i kammeret.

Peter Klenert er ansvarlig for planlægning og gennemførelse af forsøgene med en stab på 3-4 laboratoriemedarbejdere.

For hver forsøgstrykning og hvert sæt forsøgsbetingelser, blev der gennemført en måling af graden af hærdning af UV-farverne. Dette blev gennemført ved hjælp af High Pressure Liquid Chromatography (HPLC) og ionchromatografi som beskrevet i standarder fra ISEGÄ (Levnedsmiddellaboratorium i Stuttgart) og BGA (Bundes Gesundtheit Ministerium) standarder. Disse målinger foretages på et i øvrigt særdeles veludstyret laboratorium og kan gennemføres på tilsammen 40 minutter. I grove træk består målingen i, at ikke-reagerede præpolymerer og rester af monomere fortyndere og fotoinitiatorer extraheres med acetonitril i 20 minutter. Extraktionsprøven anbringes i måleudstyret, der på en dataskærm viser resultaterne i form af en graf, af hvilken mængden og arten af ureagerede komponenter kan aflæses.

Der anvendes til trykningerne traditionelle testklicheer med både tekst, 4-farve rasterbilleder, og kontrolstrips.

Efter trykning rengøres klicheer og maskindele med ethylacetat eller eventuelt med ethoxypropanol.

Trykhastigheden varierer ved forsøgstrykningerne. Ved de forsøgskørsler, som blev overværet, var trykhastigheden ca. 180 m/minuttet, hvilket ligger lige i overkanten af normal produktionshastighed i Danmark inden for flexible emballager. Temperaturen i kammerraklen var 40°C, og hver forsøgskørsel varede ca. 20 minutter.

De forsøgstrykninger, som er blevet overværet i Leipzig havde specifikt til formål at afprøve en bestemt trykfarve under veldefinerede trykbetingelser. Det blev konstateret, at trykkvaliteten var absolut tilfredsstillende, og at farven under testbetingelserne var tilfredsstillende gennemhærdet. Konkrete, kvantitative testresultater fra denne forsøgstrykning er ikke tilgængelige, da arbejdet blev udført for en tysk trykfarveleverandør.

Der blev ved besøget fremvist og kommenteret generelle resultater fra en lang række tidligere forsøgstrykninger, og det skønnes at disse resultater er af afgørende betydning for vurderingen af UV-teknologiens anvendelighed til flexotrykning af flexible emballager.

Det blev ved selvsyn konstateret, at trykkvaliteten ved forskellige forsøgstrykninger svinger afhængigt af en række tryktekniske forhold, men generelt kan man sige, at der let kan opnås resultater, der er bedre end - eller i det mindste svarer til det bedste - ved anvendelsen af solventbaserede farver. Dette gælder såvel trykskarphed, farveintensitet og glans. Farverne trykkes med en væsentlig lavere lagtykkelse end ved normal flexotrykning, helt ned til 1 g/m², hvilket svarer til 25-30% af normal lagtykkelse i flexografi og til normal farvelagtykkelse i offset på glatte substrater. Dette hænger sammen med, at UV-hærdende trykfarver har langt højere tørstofindhold, højere viskositet og pigmentindhold end normale solventbaserede farver. Den mindre lagtykkelse og større farvekraft resulterer i et skarpere og mere intenst tryk og giver mulighed for at anvende systemer for kvalitetsstyring, som er kendt fra offset, men ikke hidtil har kunnet anvendes i flexografi.

Det er - som flere gange beskrevet i tidligere afsnit - altid ved brug af UV-teknologi et problem at kunne holde en konstant, lav temperatur på modtrykcylinderen, hvilket i praksis sætter grænserne for hvor meget effekt, der kan tilføres lamperne, og hermed hvor hurtigt, man kan trykke. Det er derfor hele tiden interessant at søge efter UV-lamper med størst mulig virkningsgrad.

På lampeområdet ser det foreløbig ud til, at Excimer typen er den bedste, men der er store forhåbninger til DPL lamperne, som imidlertid på besøgstidspunktet endnu ikke var blevet gennemprøvet på IOM. (DPL lamperne er dog siden blevet afprøvet, efter sigende med absolut tilfredsstillende resultat). Interessen samler sig om lamper med et smalt UV-spektrum (såkaldte monochromatic lamps) og mindst mulig stråling i det synlige område og IR-området. Lamper med stor spredning inden for spektret (såkaldte polychromatic lamps) er langt mindre effektive.

Der er afgørende positive resultater med hensyn til brugen af inert gas (nitrogen). Ved at holde oxygen borte fra UV-farven i hærdningsøjeblikket er erfaringen hos IOM, at der kan opnås en gennemhærdning af farverne med en lampeeffekt på 50 W/cm mod 200 W/cm uden brug af nitrogen.

Tallene svarer til en trykhastighed på 200 m/min. Erfaringerne er således endnu mere optimistiske, end det er beskrevet i et tidligere kapitel, hvor halvering af energiforbruget er nævnt. Ifølge resultaterne fra IOM er kravet til lampernes effekt kun en fjerdel i forhold til hærdning i normal atmosfære.

Oxygen-detektorerne viste ved forsøgstrykningen, at oxygenkoncentrationen i nitrogen-kammeret ikke overstiger 100 ppm. Et realistisk arbejdsområde i praksis er sikkert 200-500 ppm.

En sidegevinst ved brugen af nitrogen i hærdezonen er, at man helt undgår ozondannelse.

Nitrogen -eller kvælstof - er en på alle måder uskadelig luftart, der findes i rigelige mængder, idet den udgør ca. 75% af afmosfærisk luft, hvorfra den også udvindes. Kvælstof kan leveres under tryk på stålflasker eller flydende i tankvogn. Prisen ligger på samme niveau som prisen for oxygen (ilt) og afhænger af leveringsform og -mængde. Prisen for flydende nitrogen er 15,- til 20,- kr. pr. flydende liter.

Undersøgelser af hærdningstørrende lamineringsklæbere har hos IOM vist, at en kombination af UV-stråling og elektronstråling (EB) er særdeles gavnlig, idet den sikrer gennemhærdning i en langt større grad end UV-stråling alene.

Informationerne fra de oplevede og en række tidligere forsøgstrykninger hos IMO bekræfter tidligere nævnte påstande om UV-farvers anvendelighed og giver yderligere oplysninger, som vil kunne forbedre UV-teknologiens muligheder inden for bredbane flexografi.

Indførelse af UV-teknologi består ikke blot i en simpel installation af UV-lamper, men er nærmere et teknologispring, der kræver nøje udvælgelse af lampetyper og trykfarver, omfattende installationer til styring af lamper, kraftig udbygning af køleanlæg, eventuelle installationer til brug af nitrogen-atmosfære samt avanceret analyseudstyr til at overvåge effektiviteten af UV-hærdningen.

Til gengæld kan der opnås store gevinster, hvad angår trykkvalitet.