DE4442240A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Menge eines aus einem Druckprodukt austretenden Lösungsmittels - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vor­ richtung zur Bestimmung der Menge eines aus einem Druckprodukt austretenden Lösungsmittels mittels eines Detektors gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 5.

Der Illustrationstiefdruck hat gegenüber den anderen auf dem Markt befindlichen Druckverfahren die größte Druckgeschwindigkeit. Zum heutigen Zeitpunkt sind Druckgeschwindigkeiten von 10 bis 13 m/s bei einer Breite der zu bedruckenden Papierbahn bis zu 3,48 m üb­ lich. In der Zukunft sind Druckgeschwindigkeiten bis 16 m/s zu erwarten. Aufgrund der hohen Druckgeschwindig­ keit ist es notwendig, daß die Trocknung der Druckfarbe in sehr kurzer Zeit stattfindet. Diese Trocknung ist ein physikalischer Vorgang, bei dem das Lösungsmittel, das die Feststoffe der Druckfarbe in Lösung hält, ver­ dampft. Die Bindemittel und Pigmente bilden einen Film auf der Oberfläche des Druckpapiers. Die Verflüchtigung des Lösungsmittels geschieht durch Aufblasen eines Luftstroms mit hoher Strömungsgeschwindigkeit zwischen den Druckwerken für jede einzelne Farbe. Die Trocken­ strecke zwischen den einzelnen Druckwerken beträgt bei modernen Druckmaschinen ca. 12 m, d. h. bei einer Druckgeschwindigkeit von 12 m/s muß das Lösungsmittel also innerhalb von ca. 1 s so weit ausgetrieben sein, daß die Druckfarbe auch bei Kontakt mit der nächsten lösungsmittelreichen Druckfarbe ausreichend fest auf dem Papier verankert ist. Das im Luftstrom der Trock­ nungsstrecke befindliche Lösungsmittel wird in nachge­ schalteten Adsorbern zu mehr als 90% zurückgewonnen und den Farbenfabriken zur Wiederverwendung zur Verfü­ gung gestellt. Aufgrund der hohen Recyclingquote des eingesetzten Lösungsmittels in Verbindung mit einem für so hohe Druckgeschwindigkeiten niedrigen Energieeinsatz stellt der Illustrationstiefdruck ein sehr umwelt­ freundliches Druckverfahren dar.

Als Lösungsmittel wird bis heute ausschließlich Toluol verwendet. In den letzten Jahren wurden die Verbraucher mehrfach durch Meldungen über eventuelle gesundheitli­ che Gefahren durch Reste des Lösungsmittels Toluol in Druckprodukten verunsichert. Dies führte zu zahlreichen medizinischen Untersuchungen und es wurde verschiedent­ lich gefordert, die Resttoluolmengen in Druckprodukten auf ein für den menschlichen Organismus unbedenkliches Maß zu begrenzen. Dies erfordert jedoch, daß einheitli­ che und überall anerkannte Verfahren zur Bestimmung der Menge des aus einem Druckprodukt austretenden Lösungsmittels bekannt sind.

Die Standardmethode zur quantitativen Bestimmung von Restlösungsmitteln in Druckprodukten ist die gaschroma­ tographische Dampfraumanalyse, die auch als Headspace- Gaschromatographie bezeichnet wird. Die Headspace-Gas­ chromatographie basiert auf dem folgenden Prinzip:

In einem geschlossenen Probenbehälter bildet sich ein Gleichgewicht aus dem in einer Druckprobe enthaltenen flüchtigen Stoff (Toluol) und der Gasphase (Luft bei 90°C) entsprechend dem stoffspezifischen Verteilungs­ koeffizienten. Entnimmt man eine Probe definierten Vo­ lumens aus der Gasphase und analysiert sie gaschromato­ graphisch, so ist das Ergebnis der Analyse ein Chroma­ togramm, bei dem die Peakfläche der Konzentration des Toluols in der Gasphase proportional ist. Über Eichfak­ toren ist es möglich, den tatsächlichen Gehalt zu er­ mitteln. Die Bestimmung ist nach einer entsprechenden Verfahrensoptimierung durch die Verwendung spezieller Injektoren und Gaschromatographen automatisierbar und mit hoher Genauigkeit durchführbar.

Die Druckprodukte enthalten zwangsläufig einen bestimm­ ten Restanteil von Toluol. Dieser Anteil ist abhängig von verschiedenen Einflußfaktoren, wie Farbbelegung, Druckgeschwindigkeit, Trocknungsbedingungen und den verwendeten Materialien, wie Druckfarbe, Papier usw. Mißt man nun exakt diesen Restanteil, wie dies in dem vorstehend beschriebenen Verfahren mit der Headspace- Gaschromatographie geschieht, so kann man durch den so ermittelten Wert nicht erkennen, welche Menge des To­ luols beim Gebrauch austritt. So ergaben Messungen an einer Zeitschrift, die mehr als ein Jahr offen auf ei­ nem Regal lag, immer noch gut nachweisbare Toluolmen­ gen.

Als Resultat dieser Überlegungen wurden eine Reihe von Verfahren entwickelt, um nur die als Gas austretenden Mengen an Toluol zu erfassen:

Bei der COWI2-Methode wird ein Druckprodukt bestimmter Größe in eine Glasflasche eingelegt. Ein über dieses Druckprodukt geleiteter definierter Gasstrom von gege­ bener Temperatur transportiert das ausdampfende Toluol in ein Aktivkohleröhrchen, in dem das im Gasstrom ent­ haltene Toluol quantitativ adsorbiert wird. Nach 60 Minuten wird der Gasstrom unterbrochen. Das Aktivkohle­ röhrchen hat nach dieser Zeit eine bestimmte Menge To­ luol aufgenommen, die anschließend mit Schwefelkohlen­ stoff von der Aktivkohle abgetrennt wird. Diese mit To­ luol angereicherte Schwefelkohlenstofflösung wird nun einem Gaschromatographen in flüssiger Form einge­ spritzt. Aus der Peakfläche des Gaschromatogramms ist dann ein Rückschluß auf die das Druckprodukt verlas­ sende Toluolmenge möglich.

Bei der ähnlichen Meßmethode nach Photovac wird als Detektor ein Photoionisationsdetektor verwendet.

Sowohl das COWI2-Verfahren als auch die Methode nach Photovac haben jedoch den Nachteil, daß nur versuchsan­ ordnungsbezogene Werte ermittelt werden können. Beide Messungen sind zudem relativ zeitaufwendig und erfor­ dern insbesondere bei dem COWI2-Verfahren ein geschul­ tes Personal sowie ein speziell ausgerüstetes chemi­ sches Labor.

Wenn zukünftig Grenzwerte für den Lösungsmittelgehalt in Druckprodukten vorgeschrieben werden bzw. zum Be­ standteil von Lieferverträgen gemacht werden, müssen die Drucker ein sehr hohes Risiko eingehen, da sie der­ zeit keine geeignete Kontrolle haben, ob die Auflage, die ihre Druckmaschine verläßt, den Anforderungen an den Restlösungsmittelgehalt genügt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren und die Vorrichtung gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 5 derart weiterzuentwickeln, daß die Bestimmung der Menge eines aus einem Druckprodukt austretenden Lösungsmittels wesentlich schneller mög­ lich ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeich­ nenden Merkmale der Ansprüche 1 und 5 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Un­ teransprüche.

Bei den der Erfindung zugrundeliegenden Versuchen hat sich gezeigt, daß sich durch Erwärmen des Druckpro­ dukts, insbesondere auf Temperaturen über 100°C, das Lösungsmittel relativ schnell aus dem Druckprodukt aus­ treiben läßt. Selbst wenn man das Druckprodukt so lange erwärmt, bis das Lösungsmittel vollständig ausgetrieben ist, kann man bereits innerhalb von wenigen Minuten auf eine Überschreitung der Parameter an der Druckmaschine reagieren. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Er­ findung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine Darstellung des Resttoluolgehalts bei ver­ schiedenen Temperaturen der Heizeinrichtung und unterschiedlichen Vorschubgeschwindigkeiten der Transporteinrichtung, und

Fig. 3 eine Darstellung der vom Detektor erfaßten Teil­ chen in Abhängigkeit der Zeit.

Die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Menge eines aus einem Druckprodukt 1 austretenden Lösungsmittels besteht im wesentlichen aus einer Heizeinrichtung 2 und einem die Menge des Lö­ sungsmittels erfassenden Detektor 3.

Ferner ist eine durch mehrere Transportrollen 4a darge­ stellte Transporteinrichtung 4 vorgesehen, durch die das Druckprodukt 1 der Heizeinrichtung 2 zuführbar bzw. von dieser abführbar ist (Pfeile 4b, 4c).

Zur Zuführung des ausgetriebenen Lösungsmittels zum De­ tektor 3 ist eine Absaugeinrichtung 5 vorgesehen, die beispielsweise durch einen Abzugsschacht 5a und eine nicht näher dargestellte Absaugpumpe gebildet wird.

Die Heizeinrichtung 2 weist einen Heizsattel 2a auf, dessen Temperatur vorzugsweise einstellbar ist. Je nach Temperatur des Heizsattels 2a kann das Druckprodukt 1 mit einer größeren bzw. kleineren Vorschubgeschwindig­ keit über den Heizsattel geführt werden, um die gleiche Menge an Lösungsmittel aus dem Druckprodukt auszutrei­ ben. Demgemäß ist auch die Vorschubgeschwindigkeit der Transporteinrichtung 4 einstellbar.

Bei den der Erfindung zugrundeliegenden Versuchen hat sich gezeigt, daß das Lösungsmittel bei vorgegebener Vorschubgeschwindigkeit ab einer bestimmten Temperatur des Heizsattels praktisch vollständig aus dem Druckpro­ dukt ausgetrieben werden kann.

In der Fig. 2 ist für drei verschiedene Vorschubge­ schwindigkeiten (10 mm/s, 40 mm/s und 70 mm/s) der Restgehalt des Lösungsmittels im Druckprodukt 1 gegen­ über verschiedenen Temperaturen des Heizsattels aufge­ tragen. Dabei wurde als Druckprodukt ein Probedruck­ streifen mit einer Breite von 45 mm und einer Länge von 24 cm verwendet, und der Heizsattel 2a wies eine Länge von 15 cm auf.

Dieses Diagramm zeigt, daß es möglich ist, das Lösungs­ mittel relativ schnell vollständig auszutreiben. Bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 10 mm/s und einer Länge des Probedruckstreifens von 24 cm sind lediglich 24 s notwendig, um bei einer Temperatur von 170°C das Lösungsmittels, hier Toluol, vollständig auszutreiben. Verwendet man eine Vorschubgeschwindigkeit von 70 mm/s werden lediglich etwa 3,5 s benötigt, um bei einer Tem­ peratur von 190°C das Lösungsmittel praktisch voll­ ständig auszutreiben.

Würde man die Länge des Heizsattels 2a verändern, würde sich der Restgehalt des Lösungsmittels bei ansonsten gleichen Bedingungen entsprechend verändern. Es kommt somit letztendlich auf die Verweilzeit jedes Bereiches des Druckproduktes auf dem Heizsattel 2a an. Bei einer Länge des Heizsattels von 15 cm und einer Vorschubge­ schwindigkeit von 10 mm/s beträgt somit die Verweilzeit für jeden Bereich des Druckproduktes 15 s.

Das über dem Abzugsschacht 5a abgesaugte Lösungsmittel wird dem Detektor 3 zugeführt, wobei üblicherweise le­ diglich eine bestimmte Teilmenge vom Detektor erfaßt wird. Die Gesamtmenge des ausgetriebenen Lösungsmittels bestimmt sich dann aus dem Verhältnis der zum Detektor gelangten Teilmenge zur abgesaugten Gesamtmenge. Als Detektor kann jeder für den Nachweis des Lösungsmittels geeignete Detektor verwendet werden, wie beispielsweise ein Chemosensor oder ein im IR-Bereich arbeitender Sen­ sor. Besonders geeignet ist jedoch ein Photoionisati­ onsdetektor, in dem die abgezweigte Teilmenge des aus­ getriebenen Lösungsmittels einer elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt wird. Dabei werden sogenannte Pho­ toelektronen aus den Molekülen des Lösungsmittels abge­ spalten. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes erhöht sich durch die emittierten Elektronen die Leitfähig­ keit, die vom Photoionisationsdetektor erfaßt wird. Durch eine Kalibrierung mit Prüfgasen ist eine Umrech­ nung in Konzentrationseinheiten möglich.

In Fig. 3 ist die im Detektor ermittelte Lösungsmittel­ menge gegenüber der Zeit aufgetragen.

Vergleichsmessungen mit der Headspace-Gaschromatogra­ phie haben gezeigt, daß die Absolutmessungen des Ge­ samtgehalts an Lösungsmittel relativ gut mit den Meß­ werten des erfindungsgemäßen Verfahrens übereinstimmen.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es den Druckern möglich, direkt im Drucksaal Messungen des Restgehalts an Lösungsmitteln der gerade hergestellten Druckerzeugnisse durchzuführen. Es ist somit möglich, innerhalb weniger Minuten auf eine Überschreitung der Parameter an der Druckmaschine zu reagieren. Um den ab­ soluten Lösungsmittelgehalt eines Druckerzeugnisses zu bestimmen, wird man aus dem Druckerzeugnis einen Strei­ fen definierter Größe mit einer speziellen Schneidvor­ richtung herausschneiden. Dieser Streifen wird dann in der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 1 unter­ sucht. Durch eine entsprechende Umrechnung läßt sich schließlich der Absolutgehalt bzw. die Restmenge des Lösungsmittels in mg/m² angeben.

Vermindert man die Temperatur und/oder erhöht man die Durchlaufgeschwindigkeit, ist es mit der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung theoretisch auch möglich, Relativmes­ sungen zur Menge des bei bestimmten Temperaturen aus­ tretenden Lösungsmittels zu machen. Der Aussagewert von Absolutmessungen ist jedoch deutlich höher zu bewerten.

Claims (10)

1. Verfahren zur Bestimmung der Menge eines aus einem Druckprodukt (1) austretenden Lösungsmittels mit Hilfe eines Detektors (3), dadurch gekennzeichnet, daß das Druckprodukt vor Er­ fassung durch den Detektor zur wenigstens teilweisen Austreibung des Lösungsmittels erwärmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Messung des absoluten Lösungsmittelge­ halts das Druckprodukt (1) solange erwärmt wird, bis das Lösungsmittel vollständig ausgetrieben ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgetriebene Lösungsmittel abgesaugt und wenigstens eine Teilmenge dem Detektor zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Detektor (3) ein Photoionisationsdetektor verwendet wird.

5. Vorrichtung zur Bestimmung der Menge eines aus einem Druckprodukt (1) austretenden Lösungsmittels mittels eines Detektors (3), dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizeinrichtung (2) zur wenigstens teilweisen Austreibung des Lösungsmittels aus dem Druckprodukt vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zuführung des ausgetriebenen Lösungsmittels zum Detektor (3) eine Absaugeinrichtung (5) vorgese­ hen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Transporteinrichtung (4) vorgesehen ist, durch die das Druckprodukt (1) der Heizeinrichtung (2) zuführbar bzw. von dieser abführbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Heizeinrichtung (2) einstell­ bar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubgeschwindigkeit der Transportein­ richtung (4) einstellbar ist.

10. Verfahren nach Anspruch 1 unter Verwendung einer Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur und die Vorschubgeschwindigkeit so aufeinander abgestimmt werden, daß das Lösungsmittel vollständig ausgetrieben wird.