WO1996033872A1 - Verfahren und vorrichtung zum härten von uv-druckfarben - Google Patents

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WO1996033872A1
WO1996033872A1 PCT/DE1996/000767 DE9600767W WO9633872A1 WO 1996033872 A1 WO1996033872 A1 WO 1996033872A1 DE 9600767 W DE9600767 W DE 9600767W WO 9633872 A1 WO9633872 A1 WO 9633872A1
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low
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printing
radiation
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PCT/DE1996/000767
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Inventor
Peter Schmitt
Original Assignee
Metronic-Gerätebau Gmbh & Co.
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41M—PRINTING, DUPLICATING, MARKING, OR COPYING PROCESSES; COLOUR PRINTING
    • B41M7/00—After-treatment of prints, e.g. heating, irradiating, setting of the ink, protection of the printed stock
    • B41M7/0081—After-treatment of prints, e.g. heating, irradiating, setting of the ink, protection of the printed stock using electromagnetic radiation or waves, e.g. ultraviolet radiation, electron beams

Definitions

  • the invention relates to a method for curing a UV-curing printing ink on a printing material, in which the printing ink is irradiated with UV light from a UV radiation source. Furthermore, it is directed to a corresponding device for irradiating the printing ink with UV light.
  • UV-curing printing inks are low-solvent or solvent-free, radiation-curing printing inks and have become increasingly important in recent times. This is due to the fact that the energy of UV radiation is high and is therefore advantageous in printing processes for printing on printing materials at high printing speed, in particular in flat or letterpress printing. Also in practical use, for example with regard to pot life, the environmental pollution of solvents and disposal, they have application advantages over solvent-based paints.
  • UV-curing printing inks have a UV-curable binder system composed of a polymerizing binder or binder mixture and one or more associated photoinitiators. The poly- merisation or crosslinking are triggered, whereby the color hardens.
  • Known radically polymerizing binders are based on acrylates, whereas the cationically polymerizing binders are distinguished by an acid released by UV radiation. Irrespective of the specific binder system, the invention is generally directed to the curing of UV-curable printing inks.
  • UV-curing printing inks are, for example, the following: sheet offset printing (for example packaging), endless offset printing (for example mail items), dry offset (indirect printing, for example cups and tubes), label printing (Book and flexo printing), flexo printing (e.g. packaging films) and screen printing (e.g. technical parts).
  • sheet offset printing for example packaging
  • endless offset printing for example mail items
  • dry offset indirect printing, for example cups and tubes
  • label printing Book and flexo printing
  • flexo printing e.g. packaging films
  • screen printing e.g. technical parts.
  • the advantage of UV curing which is often also referred to as UV drying, is that the solvent-free or low-solvent printing inks dry quickly on the printing material by UV radiation, so that the printing material can be processed or packaged immediately.
  • the invention relates to the hardening of the printed printing ink and is therefore independent of a special printing process with which the printing ink is applied to the printing material.
  • the arc length of the conventionally used spotlights varies between 10 cm and 220 cm and the specific electrical outputs are in the range of 30 to 250 watts per centimeter of arc length.
  • the UV light output is approximately 20 watts per centimeter of arc length.
  • the fluorescent tube material consists of quartz due to the requirement of UV light transmission and the lamps are operated with a gas pressure of 1 to 2 atm.
  • lasers in particular excimer lasers, are also used to generate the UV radiation.
  • the abovementioned, conventionally used UV radiation sources have the advantage that they can be used to produce a very high area-related UV intensity on the printing material and thus very short curing times can be achieved, which are in the range of tenths of a second can lie.
  • the disadvantage of excimer lasers is the high technical complexity. For this reason, the medium-pressure and high-pressure gas discharge lamps are more widespread. However, they have the disadvantage that their efficiency for the emission of UV light in the relevant spectral range is only about 20%, so that 80% of the energy supplied is lost and has to be dissipated by cooling.
  • UV-curable coating films were used for curing
  • actinic or superactinic fluorescent lamps are special low-pressure lamps in which a luminescent coating shifts the intensity maximum in the direction of red in order to obtain a spectrum that contains high proportions in the UV-A range.
  • the high UV-A content was considered necessary by experts in order to ensure a rapid reaction.
  • the same view is held in the professional world with regard to the curing of pigmented systems, such as printing inks.
  • JP 59189340 A2 (Derwent unit no. 84-303796/49) proposed a compound which can be used as a printing ink and which can be cured with a large number of different UV radiation sources, including high-pressure, medium-pressure and low-pressure mercury lamps.
  • the possible uses described in this publication show that the lamps emit predominantly in the UV-A or visible spectral range and, in addition, long irradiation times that are not comparable with fast industrial production processes are required.
  • the invention is based on the object of creating a method and a corresponding device for curing a UV-curing printing ink on a printing material, which avoids the disadvantages of conventional UV gas discharge lamps associated with the high heat development.
  • a low-pressure gas discharge lamp is used as the UV radiation source, the spectral radiation of which is integrated over the UV-B and UV-C range.
  • Flow is more than 50%, preferably more than 75% of the UV radiation flow.
  • the UV spectrum is classified according to DIN 5031, part 7. It covers the range from 100 to 380 nm, the UV-C range from 100 to 280 nm, the UV-B range from 280 to 315 nm and the UV-A range from 315 to 380 nm.
  • Spectral radiation flow is understood to mean the radiation power in watts per nm as a function of the wavelength. The radiation flow is a measure of the intensity of the radiation. By integrating or summing the spectral radiation flux over a wavelength interval, the radiation flux emitted in this wavelength interval is obtained.
  • Low-pressure gas discharge lamps are lamps which are generally operated with a gas pressure between 10 mbar and 50 mbar, preferably between 20 mbar and 30 mbar. Their specific electrical power consumption is considerably lower than that of medium-pressure and high-pressure lamps and is in the range between 0.2 and 2.5, preferably between 0.5 and 1.0 watts per centimeter of their arc length. Although the low-pressure gas discharge lamps have an efficiency for the relevant UV range have, which is higher than in the usual lamps and is between 30 and 40%, the total UV radiation flux achieved is considerably lower than with conventionally used lamps. It is approximately 0.2 watts per centimeter of arc length and is thus approximately a factor 100 smaller than in the previously used medium and high pressure lamps.
  • UV-curing printing inks can also be cured satisfactorily with low-pressure gas discharge lamps, even if the printing ink has a UV illuminance of between 1 and 100 mW / cm 2 , preferably between 10 and 50 mW / cm 2 , is irradiated.
  • the UV irradiance of the printing material is approximately 1 W / cm.
  • the irradiance relating to the printing material indicates which radiation flow strikes a surface element of the printing material, which element may be inclined at an angle to the direction of radiation.
  • the irradiance has the unit W / cm 2 .
  • low-pressure gas discharge lamps has various advantages that are important for practical use. Their surface temperature is considerably lower. With mercury vapor lamps, it is around 30 ° C during normal and optimal operation. In the case of amalgam emitters, which have the advantage of a somewhat higher UV light yield than mercury vapor lamps, the temperature in normal operation is approximately 120 ° C. This lower surface temperature in connection with the lower power consumption leads to a considerably reduced temperature load on the surroundings of the lamp and the printing material. However, the reduced heating of the impression cylinder is also technically advantageous, particularly in the case of multicolor printing units. So far, a very high technical outlay has been required to temper the impression cylinder to a constant temperature, since this is of decisive importance for the quality and the feasibility of the printing process because of the thermal expansion. Because of the reduced temperature load, it is also possible to print on printing materials which have not previously been printable using UV-curing printing inks, for example temperature-sensitive plastic films (for example shrink films).
  • temperature-sensitive plastic films for example shrink films
  • the proportion of the dryer unit in the total power consumption of 100 kW of a printing press can be reduced to approximately 10 to 15 kW or less.
  • the power consumption of a medium-pressure gas discharge lamp with the associated cooling fan is typically approximately 3.5 kW.
  • the power consumption of 10 low-pressure gas discharge lamps according to the invention with the associated fan is only approx. 400 W.
  • low-pressure gas discharge lamps In addition to the reduced temperature load and risk of burns as well as the reduced power loss, further advantages of the low-pressure gas discharge lamps are a shorter replacement time, since the lamps hardly need any time to cool down after a defect and can therefore be changed more quickly. Low-pressure gas discharge lamps also have the advantage over conventional lamps that they require only a short or no warm-up time before stable operating conditions are reached, and can be restarted immediately after being switched off, and that the intensity of the lamp is adjustable. In addition, as with medium-pressure lamps, there is no risk of burnt-in droplets of paint or dirt particles on the bulb, which can lead to the lamp being destroyed. The lifespan of low-pressure gas discharge lamps is around 8,000 hours, at least four times as long as that of medium-pressure lamps.
  • the invention thus achieves goals that the professional community has long sought.
  • the following measures are preferably used individually or in combination with one another.
  • the spectral radiation flux integrated over the UV-B range is more than 50%, preferably more than 75%, of the UV radiation flux.
  • the lamp will be referred to as a UV-B lamp.
  • the spectral radiation flow integrated over the UV-C range is more than 50%, preferably more than 75%, of the UV radiation flow.
  • the lamp will be referred to as a UV-C lamp.
  • both UV-C and UV-B low-pressure gas discharge lamps have been found to be advantageous for the curing process.
  • the spectral radiation flow integrated over the UV-C range can be more than 50%, preferably more than 75%, of the UV radiation flow.
  • the spectral radiation flow integrated over the UV-B range can accordingly be more than 50%, preferably more than 75%, of the UV radiation flow.
  • the maximum of the spectral radiation flux distribution, in particular of the UV radiation flux, of the low-pressure gas discharge lamp can advantageously be in the UV-B or UV-C range.
  • this refers to the wavelength with the highest UV intensity.
  • this information relates to the maximum of the spectral radiation flux distribution. If the UV spectrum has both lines and continua, this characteristic refers to the maximum in terms of lines and continuous emission ranges.
  • a low-pressure gas discharge lamp be used whose spectral UV radiation flow integrated above a wavelength of 190 nm, in particular above 240 nm, more than 50%, preferably more than 75%, of its UV Radiation flux, especially their UV-C radiation flux, is.
  • the spectral UV-C radiation flow integrated above a wavelength of 190 nm, in particular above 240 nm is more than 50%, preferably more than 75%, of the UV radiation flow.
  • the low-pressure gas discharge lamp emits more than 50%, preferably more than 75%, of the radiation flow of its UV light in the UV-C range above a wavelength of 240 nm.
  • UV-C low-pressure gas discharge lamps is normally in the wavelength range between 249 and 259 nm, in particular at 254 nm.
  • UV-B low-pressure gas discharge lamps are also referred to as UV-B fluorescent lamps. They have a phosphor coating that shifts the maximum of the radiation flow into the UV-B range. It is advantageously above 305 nm.
  • the respective position of the intensity maximum and the emitted lines, and in particular their line width, can be influenced by the phosphor or the phosphor mixture.
  • the possible bandwidth ranges from very narrow-band, almost monochromatic UV-B radiation to an emission covering almost the entire UV-B range.
  • UV-B low-pressure gas discharge lamps emit more than 50%, preferably more than 75%, of their UV light in the UV-B range.
  • low-pressure gas discharge lamps are preferred within the scope of the invention, the emission spectrum of which is not shifted towards longer wavelengths by the addition of phosphors. This means that neither an actinic nor a superactinic gas discharge lamp is used.
  • the UV-B lamps are not quite as advantageous as UV-C emitters, since their light yield is lower due to the light conversion step and the printing ink may be less reactive in the spectral range they emit than in UV-C Area is; however, they also represent an economically interesting improvement over the known medium-pressure and high-pressure lamps.
  • a plurality of low-pressure gas discharge lamps with different emission spectra are used, in particular a combination of a UV-C lamp with a UV-B low-pressure gas discharge lamp.
  • the possibly advantageous use of low-pressure gas discharge lamps with differing emission spectra for generating mixed light can be achieved both by using different lamps and also by using lamps which are only partially coated with phosphor.
  • the ratio of the integrated UV-B to the integrated UV-C radiation flow can be between 0: 1 and 1: 0, with a higher UV-C proportion generally being preferred for the reasons mentioned above.
  • a printing ink which contains a binder system with the following components: a) one or more cycloaliphatic epoxy resins as hardenable binder and b) one or more arylsulfonium salts as photoinitiators.
  • a cycloaliphatic epoxy resin is a cationically curable binder.
  • the paint can of course also contain other conventional constituents, such as further photoinitiators, solvents, pigments, dyes, diluents, reactive diluents, waxes, leveling agents, wetting agents or other additives.
  • component b) contains a triarylsulfonium salt. It is preferred if the triarylsulfonium salt contains a triarylsulfonium antimonate, in particular a triarylsulfonium hexafluoroantimonate. Advantageously, it can further be provided that component b) contains a mixture of different arylsulfonium salts. In addition to the cycloaliphatic epoxy resin, other binders can also be contained in the printing ink.
  • Radical-curing printing inks are predominantly used in printing technology because, compared to a cationically curing printing ink, they have a shorter drying time when irradiated with a conventional medium-pressure lamp.
  • the free-radically curing paints also have the advantage that their chemical composition can be varied very widely.
  • the binders mostly used here mostly absorb considerably in the UV-C range, so that even when using photoinitiators absorbing in the UV-C range, only a low reactivity of the printing ink can be achieved.
  • the binders used in cationically curable printing inks are highly transparent in the UV-C range, so that a high reactivity can also be achieved with a UV-C or UV-B low-pressure gas discharge lamp.
  • cationically curing inks based on epoxides are preferred in the context according to the invention. Radically curing paints can also be used.
  • a printing ink is hardened by means of the printing process according to the invention, the binder component of which is highly transparent to the UV light emitted by the low-pressure gas discharge lamp in the UV-C or UV-B range, so that deep-lying layers can still be reached to a sufficient extent by UV light.
  • the absorption curve of the binder should correspond to the standard binders used in high and medium pressure lamps, shifted to shorter wavelengths.
  • the usual layer thicknesses for offset are between 1 and 3 ⁇ m and for flexo printing between 3 and 8 ⁇ m.
  • there are squeeze edges each of a maximum of 20 ⁇ m thick so that the binder is sufficient up to a thickness of 20 ⁇ m should be transparent.
  • the transparency of the binder is so high up to this layer thickness that it does not absorb more than half of the incident UV intensity of the low-pressure gas discharge lamp.
  • the properties of the binder namely its transparency for the UV light used, and the reactivity of the binder photoinitiator system are of particular importance.
  • the individual components should be miscible and compatible with one another, ie should not trigger spontaneous reactions.
  • the fillers and additives can be in liquid or solid form and are subject to the same requirements with regard to transparency for UV light as the binders.
  • the pigments can be of an inorganic or organic type.
  • Inorganic are generally solids, organic ones can be solid or liquid.
  • the concentration and absorption properties must be set in a suitable manner. This also applies to solid pigments, which also have scattering effects depending on the grain size.
  • the printing ink should be sufficiently reactive for the UV light and be activated by it. This applies in particular to the photoinitiators, which should be sufficiently reactive in the wavelength range used.
  • the reactivity means two things. On the one hand, the absorption of UV light must be sufficiently high. Another- On the one hand, the photoinitiators should also transfer or convert the absorbed energy well to the corresponding radicals (radical polymerization) or acids (cationic polymerization) in order to trigger the chain reaction for the polymerization.
  • the photoinitiator should therefore absorb to a sufficiently high degree and be present in a suitable concentration. He must also be able to transfer the energy of the absorbed UV light to the monomers. This applies both to radical and cationic hardening.
  • a printing ink is hardened, the binder component of which is highly transparent to the UV light emitted by the low-pressure gas discharge lamp and the photoinitiator component of which is the UV light emitted by the low-pressure gas discharge lamp both in one absorbed to a high degree, and can also be activated and reactive at these wavelengths.
  • the binder and photoinitiator components of the printing ink are composed and matched to one another in such a way that the printing ink can be cured with the UV light emitted by the low-pressure gas discharge lamp up to a layer thickness of 20 ⁇ m .
  • the printing ink has a high reactivity even at room temperature.
  • the printing ink is hardly or not heated at all in the process according to the invention; the temperature advantageously does not bear more than 40 ° C. during UV curing. In conventional high and medium pressure lamps, significantly higher temperatures occur, which also has disadvantages in terms of application technology.
  • the duration of the UV radiation for curing the printing ink is less than 2 seconds, preferably less than 1 second.
  • the short reaction time of the printing ink is advantageous for realizing high production speeds or short distances between the individual printing stations.
  • the reaction time is understood to be the time which elapses until the surface of the printing ink becomes tack-free, so that the printing material can be printed on or otherwise processed in further printing stations.
  • the curing time can be considerably longer. In the case of radically curing printing inks, the curing time is only insignificantly longer than the reaction time.
  • UV radiation generally only initiates or pre-cures, the post-curing being very short or being in the range up to 24 hours.
  • the short irradiation time or reaction time is not only important for printing a large number of pieces per unit of time, but also for multicolour printing.
  • the duration during which the printing ink is irradiated with UV light depends on the speed at which the printing material with the printing ink is moved relative to the low-pressure gas discharge lamp during UV curing, and on the of low pressure gas discharge lamp irradiated area.
  • printing methods can advantageously be carried out in which the printing material has a web speed of more than 20 m / min., Preferably more than 40 m / min. and particularly preferably more than 50 m / min. is moved.
  • the multi-cylinder printing machine is a type of rotary machine in which four or six individual printing units, in particular for printing several colors, are placed in a stand.
  • the tandem printing machine is a type of rotary machine in which each printing unit is placed in its own stand.
  • the single-cylinder machine or central-cylinder machine is a type of rotary machine in which the printing units are arranged around a central, common counter-pressure cylinder.
  • the device according to the invention for curing a UV-curing printing ink on a printing material, by means of which the printing ink is irradiated with UV light from a UV radiation source, in particular for carrying out a method according to the invention has the special feature that the UV radiation source comprises a low-pressure gas discharge lamp whose spectral radiation flow integrated over the UV-B and UV-C range is more than 50%, preferably more than 75% of the UV radiation flow.
  • the UV radiation source comprises a low-pressure gas discharge lamp whose spectral radiation flow integrated over the UV-B and UV-C range is more than 50%, preferably more than 75% of the UV radiation flow.
  • the dryer can include one or more UV radiation sources. If several UV radiation sources are provided, these can be of the same or different types. In special cases it can also be advantageous if, in addition to a low-pressure gas discharge lamp, there are also other, previously customary radiation sources. The exclusive use of low-pressure gas discharge lamps is preferred. According to an advantageous feature, it is proposed that the dryer have more than four, preferably more than eight, low-pressure gas discharge lamps.
  • An advantageous embodiment can be, in particular, that the dryer has a plurality of low-pressure gas discharge lamps arranged side by side.
  • the low-pressure gas discharge lamps can be rod-shaped.
  • the dryer has a plurality of U-shaped low-pressure gas discharge lamps which are arranged next to one another with the long sides of the U-shape.
  • U-shaped low-pressure gas discharge lamps have the advantage that a relatively high illuminance can be achieved with them.
  • the low-pressure gas discharge lamps are arranged alternately in opposite directions, they can be strung together particularly closely, since the open and the closed ends of the U-forms form an alternating sequence and the open ends provided with the electrical connection contacts with electrical ones Connecting elements contact are animalable without the distance between the low-pressure gas discharge lamps being limited by the connecting elements.
  • the distance between the lamps and the lamps from the printing material is advantageously subject to the requirement that the irradiance in the plane of the printing material, based on the mainly effective area, i. for example without taking the inlet and outlet zones into account, is as homogeneous as possible.
  • the irradiance in the plane of the printing material based on the mainly effective area, i. for example without taking the inlet and outlet zones into account, is as homogeneous as possible.
  • the low-pressure gas discharge lamps can be arranged at a close distance from one another.
  • the pistons of the low-pressure gas discharge lamps can even be arranged without a distance from one another and abut one another.
  • the distance between the low-pressure gas discharge lamps, measured between their bulbs, is advantageously not more than 30%, preferably not more than 20%, than the diameter of the bulbs of the low-pressure gas discharge lamps.
  • the distance between the low-pressure gas discharge lamp and the printing material should be at least so large that no contact is made with the lamp due to fluctuations in the position of the printing material.
  • a reasonable minimum distance from a practical point of view is 1 cm.
  • the upper limit of the distance between the surface of the Low-pressure gas discharge lamp and the substrate can advantageously be less than 5 cm.
  • the device has a reflector, with which UV light emitted by the low-pressure gas discharge lamp is reflected onto the printing ink to be cured.
  • a reflector By means of a reflector, UV light can be used for UV curing, which is not emitted by the low-pressure gas discharge lamp in the direction of the printing material, and a more uniform illumination of the printing material can be achieved.
  • the reflector is advantageously arranged on the side of the low-pressure gas discharge lamp facing away from the printing material, so that it reflects the UV light emitted in this direction by the low-pressure gas discharge lamp to the printing material.
  • a reflector is arranged on the side of the substrate facing away from the illumination source in order to illuminate the substrate more uniformly on all sides.
  • Reflectors arranged on the side of the low-pressure gas discharge lamp facing away from the printing material are also known in the prior art in connection with medium and high-pressure lamps. They usually consist of metal plates and can be swiveled in order to be able to reduce the thermal load on the printing material when the system is at a standstill.
  • a reflector according to the invention can preferably be fixed, since the thermal load on the printing material by the low-pressure gas discharge lamp is not critical and, because of its immediate restartability, it can be switched off if necessary.
  • the reflector is therefore technically less complex and less expensive.
  • the reflection layer of the reflector can be composed of flat partial surfaces.
  • a particularly advantageous embodiment in terms of production technology is that the reflector has a single plane reflection layer. If the reflector is also fixed, the technical effort is particularly low.
  • the reflector can be arranged in a conventional manner at a distance from the low-pressure gas discharge lamp. Due to the reduced surface temperature of the low-pressure gas discharge lamp, however, it is also possible for the reflector to be in line contact or in surface contact with the low-pressure gas discharge lamp. In this way, a very compact design of the dryer can be realized with a high luminous efficacy.
  • the surface contact can advantageously be 30% to 60% of the area of the bulb or the circumference of a cross section of the low-pressure gas discharge lamp. The optimum value in each case is determined by the expansion of the printing material and its distance from the low-pressure gas discharge lamp.
  • the reflector has a dielectric mirror layer.
  • a dielectric mirror layer is a multilayer system made of optical coating layers that increase the reflectance.
  • the reflector itself can consist of metal, glass or other suitable materials.
  • the reflector is advantageously diffusely reflective, ie the reflector has a reflective layer made of an optically diffusely reflecting material.
  • Optically diffusely reflecting materials are substances which, owing to their composition, reflect diffusely on incident optical radiation or allow penetrating radiation to emerge diffusely. They can therefore be referred to as Lambertian surfaces or as Lambertian emitters. As a rule, they are matt white.
  • the optically diffusely reflecting material can be made in a known manner from ceramic plates or from metal reflectors which have a roughened, metallic, reflecting surface (e.g. aluminum plates).
  • the optically diffusely reflective material of the reflective layer of the reflector has a matrix of a transparent matrix material consisting essentially of a hardenable silicone rubber, in which diffusely reflecting particles are embedded.
  • a transparent matrix material consisting essentially of a hardenable silicone rubber, in which diffusely reflecting particles are embedded.
  • Such a material is optically, chemically, biologically and temperature-resistant, insensitive to dirt and easy to clean. It has good aging resistance and high transparency, in particular UV transparency.
  • the matrix material according to the invention essentially consists of a silicone rubber. Essentially means in this case that the silicone rubber contains no more foreign substances than can be tolerated in order to achieve the desired properties, that is to say the properties of the matrix material are determined by the silicone rubber. As a rule, the matrix material will consist of a silicone rubber with a commercial, preferably high, purity of, for example, more than 95%.
  • silicone rubbers are suitable within the scope of the invention.
  • a suitable silicone rubber with the required properties can be selected as the matrix material. Both condensation-crosslinking and addition-crosslinking rubbers can be considered.
  • Silicone rubbers can advantageously be processed in a pourable consistency, so that any shape can be produced inexpensively for many areas of application.
  • Other inexpensive manufacturing processes such as spraying, are also advantageously possible, since first the thin, hardenable silicone rubber is processed and then the vulcanization can take place with the formation of a hardened, solid matrix material.
  • Shore A hardness of the hardened matrix material according to DIN 53505 is between 20 and 90, since in this area the matrix material has an advantageous inherent strength.
  • the reflective particles are contained in powdered form in the matrix material.
  • the reflective particles should be embedded in the matrix material in a homogeneous distribution.
  • diffusely reflecting substances are suitable as diffusely reflecting particles in the context of the invention.
  • Such diffusely reflecting substances are, for example, magnesium oxide, aluminum oxide, titanium dioxide, polytetrafluoroethylene (Teflon (R)) or silicon dioxide (Aerosil (R)).
  • Teflon (R) polytetrafluoroethylene
  • Si dioxide Si dioxide
  • Barium sulphate has proven to be particularly advantageous in the context of the invention.
  • the diffusely reflecting particles essentially comprise one or more of the substances mentioned. Essentially, this means that other particles are not or only to such an extent contained in the material that in the respective application the diffuse reflective properties correspond to the requirements and the reflective properties are determined by the particles.
  • the particles will be present as pure substance with a high degree of purity that can be produced commercially, in the matrix material, for example with a degree of purity of over 99%. In optical measurement technology in particular, a very high degree of purity as well as a homogeneous distribution can be advantageous.
  • the particles of each substance can have a grain size or, in order to achieve special spectral properties, consist of a mixture of different grain sizes.
  • the reflecting particles in the material according to the invention can consist of only one of the substances mentioned or of a mixture of two or more different substances. For technical reasons, the addition of particles of only one substance is preferred. In special applications, in particular However, in order to achieve a specific spectral behavior it can also be advantageous to use a mixture of different substances and / or a mixture of different grain sizes.
  • the grain size of the abovementioned particles is advantageously essentially between 1 ⁇ m and 100 ⁇ m, for silicon dioxide (Aerosil (R)) between 10 nm and 200 nm. This essentially means that the mean value of the grain size distribution is in this range. Since the particle size of particles or of powder includes a certain tolerance and particle size range or a particle size distribution due to the production process, there may also be small particles, for example up to 5%, which are outside the specified size range.
  • the full width at half maximum of the respective particle size distribution can be critical in some applications, but rather insignificant in other applications.
  • Experimental investigations can be used in individual cases to determine which particle size and particle size distribution provide the desired reflection properties.
  • the advantages of the material according to the invention are that it can be used in a wide variety of ways and can be produced in a manner that is both mechanically and optically adapted to the respective application without problems. It can be designed to be self-supporting in almost any shape or can be stably applied to a carrier material, with unevenness of the carrier material being able to be compensated for and covered. It is optically, thermally and biologically stable and insensitive to temperature. It is easy to clean and absorbs little light. The respective properties can be optimized for specific application requirements become. It also does not require a complicated manufacturing process and is therefore inexpensive to manufacture. The hardness is adjustable over a wide range, so that many different application forms are possible.
  • flexible mats can be produced with sufficient stability, for example by applying an impression material to a shape that can be curved and arched almost at will.
  • the material can be processed and machined without problems, can be firm or flexible and can also be glued.
  • Shaped bodies can also be produced by casting or spraying.
  • the material has no inherent color, so that there is no adverse influence on the spectrum.
  • the surface of the reflecting material facing the incident light does not have to be matt, as is required with known materials, that is, it does not have to have a "molecular roughness" in order to achieve good diffuse reflection behavior. For this reason, shaping by molding on smooth surfaces of molds is also possible.
  • the material according to the invention is advantageously produced in such a way that the particles are stirred into liquid matrix material under a vacuum. In this way, bubble-free vulcanizates can be produced.
  • Fig. 2 shows a schematic cross section through a
  • FIG. 3 shows a modification to FIG. 1,
  • Fig. 4 shows a modification to FIG. 2,
  • Fig. 5 shows a schematic cross section through a first dryer according to the invention
  • Fig. 6 shows a first modification to FIG. 5
  • Fig. 7 shows a second modification to FIG. 5,
  • FIG. 11 shows a modification to FIG. 8,
  • FIG. 17 shows a schematic cross section through a dryer according to the invention
  • 21 shows a spectral radiation flow of a UV-B low-pressure gas discharge lamp.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section through a dryer 20 according to the prior art, and to be precise in the operating state, that is to say during the curing of printing material 9 which is guided past it and is printed with a UV-curing printing ink 14.
  • a UV radiation source 8 which is a medium-pressure gas discharge lamp, generates UV light, which triggers the polymerization of the printing ink 14.
  • the printing material 9 is guided past the UV radiation source 8 in the transport direction 10.
  • Swivel reflectors 21 are provided to increase the light yield and to even out the illuminance on the printing ink 14. They can each be pivoted from the operating state shown in FIG. 1 to the position shown in FIG. The pivoting of the reflectors 21 is necessary because the medium-pressure lamp has a very high surface temperature and the printing material 9 would burn if it did not move relative to the lamp 8.
  • FIGS. 3 and 4 show modifications to FIGS. 1 and 2, which differ in that instead of the heat-insulating glass 22, cooling tubes 35 through which water flows are provided for dissipating the heat loss.
  • FIG. 5 shows a schematic cross section through a dryer 20 according to the invention.
  • the UV radiation sources 8, to which the printing material 9 printed with printing ink 14 is guided in the transport direction 10 to harden the printing ink 14, are a plurality of low-pressure presses arranged next to one another.
  • the UV-C lamps of the type TUV from Philips have been used as low-pressure gas discharge lamps a main emission at 254 nm and the UV-B emitters of the type TL / 01 with a main emission at 311 to 312 nm or of the type TL / 12 with a main emission at 306 nm have proven to be advantageous. They are highly efficient for UV light and can be operated practically without ozone generation.
  • the reflector 5 can be stationary, namely at a short distance from the lamps.
  • the distance between reflector 5 and UV radiation source 8 can be less than twice, preferably smaller than the simple diameter of the bulb 16 of the UV radiation source 8.
  • the reflector 5 comprises three planar reflectors 5, namely a large reflector 5a arranged on the side of the lamp 8 facing away from the printing material 9, and two smaller reflectors 5b arranged on the side.
  • the reflectors comprise a reflection layer made of a reflective material 1.
  • the reflective material 1 can be designed in a conventional manner, for example as a ceramic plate or as a metal reflector.
  • the metal reflector can have a roughened, metallic, reflecting surface and can consist, for example, of aluminum.
  • the reflective layer of the reflector 5 preferably consists of an optically diffusely reflective material according to the invention with a matrix material made of curable silicone rubber and particles embedded therein in a homogeneous distribution.
  • the particles consist of powdered barium sulphate, which has a grain size of approximately 50 ⁇ m. Due to their small size, the particles cannot be seen in FIG. bar.
  • the weight ratio of the particles to the matrix material is approximately 1:10. If the ratio is less than 1: 100, the reflection is usually too low. At weight ratios above 1: 1, the degree of filling of the matrix material by the particles will generally be so high that the silicone will become brittle or will no longer be properly vulcanized.
  • the reflectance of the reflector 5 is over 90%.
  • the thickness of the reflective layer, i.e. material 1, is a few millimeters. It can advantageously be in the range between 0.1 and 10 mm.
  • the reflector 5 can thus be a so-called volume reflector, which differs from a pure surface reflector in that the reflection also takes place in deeper material layers.
  • the reflective material 1 or the reflector sheets are applied to a carrier plate 6 or a part of the housing 27.
  • the matrix material 2 or the reflecting material 1 can be connected directly to the substrate as a condensation-crosslinking silicone rubber. It can be applied to the carrier plate 6, for example, by a spray technique. If the matrix material is an addition-crosslinking rubber, it can be connected to the substrate by a suitable joining technique, for example by means of gluing.
  • Silicon rubbers in particular are those marketed by Wacker-Chemie GmbH, Kunststoff, under the type name "Elastosil (R)", in particular types M 4600, R 401, R 402, R 411, R 420, R 4000 and R 4105, as well as the types Semicosil, especially the types 911, 912, as well as the types RTV-E 604, RTV-ME 601 and SilGel 612, have proven to be advantageous.
  • FIG. 6 shows a modified reflector 5.
  • the reflection layer made of reflecting material 1 consists of a matrix material according to the invention made of silicone rubber with diffusely reflecting particles. It is fastened to a carrier plate 6 or to a housing part 27.
  • the special feature of the reflection layer is that its surface facing the UV radiation sources 8 has concavely curved partial regions with respect to the radiation sources. These are arranged at a small distance, which can be less than half the diameter of the bulb 16 of the UV radiation source 8, from the surface of the bulb 16 of the respective UV radiation source 8.
  • the center point of the respective curvature of the reflector 5 can lie in the interior of the associated low-pressure gas discharge lamp, in particular in the center thereof. In this way, a very compact design with simultaneous illumination of the printing material 9 is achieved.
  • the reflective layer made of diffusely reflecting material 1 is in direct contact with the bulb 16 of the UV radiation sources 8, which is possible in particular in the case of low-pressure mercury gas discharge lamps.
  • FIG. 7 shows a schematic cross section through a dryer 20, which differs from the dryers according to FIGS. 5 and 6 in that the reflector 5 consists of one or more reflector plates which are not planar but with respect to the UV radiation sources 8 are concavely curved. Because of the low heat generation of the low-pressure gas discharge lamps used according to the invention, this reflector 5 can also be fixed and arranged at a short distance from the lamps.
  • FIGS. 8 to 10 show perspective views, specifically FIG. 8 for FIG. 5, FIG. 9 for FIG. 6 and FIG. 10 for FIG. 7. In all the figures, construction elements such as electrical lines, cooling devices and mechanical holders are not shown for the sake of clarity .
  • FIGS. 11 to 13 show modifications to FIGS. 8 to 10, which differ in the transport direction 10 of the printing material 9.
  • the printing material 9 is transported perpendicular to the axial direction of the UV radiation sources 8.
  • the transport takes place in the axial direction of the UV radiation sources 8.
  • the transport direction 10 can form any desired angle to the axis of the low-pressure gas discharge lamps. From the point of view of optimizing the use of the emitted UV light and in order to achieve an even exposure time distributed over the printing material, the transport directions 10 shown are preferred.
  • FIGS. 14 and 15 show schematic top views of a plurality of UV radiation sources 8, which are U-shaped low-pressure gas discharge lamps 7.
  • the total of nine lamps in the example shown are arranged with their longitudinal sides next to one another for uniform illumination of the drying surface of the printing material 9.
  • the lamps are alternately arranged in opposite directions.
  • the electrical connection elements 13 therefore form an alternating sequence with the closed ends of the U-shaped lamps on both sides of the arrangement, so that there is sufficient space between the electrical connection elements 13 and the distance between them Lamps is not limited by the electrical connection elements 13.
  • FIGS. 14 and 15 differ in the transport direction 10 of the printing material 9, the drying surface of which is to be cured with UV printing ink 14 is guided past the lamps.
  • the reflectors are not shown in FIGS. 14 and 15.
  • FIG. 16 shows a schematic cross section through a dryer 20 and a printing press.
  • a UV radiation source 8 a high-pressure gas discharge lamp emitting in the UV region.
  • pivoting reflectors 21 in the housing 27, by means of which the light is directed onto the printing material 9 and which can be pivoted when the system for protecting the printing material 9 is stopped from overheating.
  • a heat protection glass 22 is also provided.
  • one or more low-pressure gas discharge lamps should therefore be used as the UV radiation source 8.
  • the pivoting reflector 21 can then be designed in the manner described above as a fixed reflector and the heat protection glass 22 can be omitted. In this way, the dryer 20 can be of compact construction and illuminate the printing material 9 uniformly, the heat load being reduced considerably at the same time.
  • the printing materials 9 are tubes or cups which are arranged on rotating tube mandrels 26 of a tube plate 25.
  • the UV-curable printing ink 14 is supplied to the printing unit comprising the anilox roller 23 and the plate roller 24 by means of a doctoring chamber or ink chamber, not shown.
  • the motif is transferred from the cliché roller 24 to the tubes wear, and the rotating tube plate 25 leads the tubes through the curing zone of the dryer 20, where the curing takes place by means of UV radiation.
  • the tubes After exiting the hardening zone, the tubes are removed from the tube mandrels 26 and the tube mandrels 26 are fitted with new, unprinted ones.
  • the clamping and removal devices are not shown.
  • the optically diffusely reflecting material 1 can be attached to separate carrier plates 6 or to the housing 27.
  • the uniformity of the illumination and the light yield can be improved.
  • the swivel reflectors 21 can also be provided with material 1 according to the invention, or a stationary reflector according to the invention arranged on the side of the illumination source 8 facing away from the printing material 9 can be provided .
  • FIG. 17 shows the dryer of FIG. 16 in an embodiment according to the invention with low-pressure gas discharge lamps 7.
  • the printing materials 9 are also tubes or cups arranged on rotating tube mandrels 26 of a tube plate 25 in this case. They are conveyed through the dryer 20 at a web speed of approximately 50 m / min. In addition to this path movement, the tube mandrels 26 rotate.
  • the dryer 20 comprises a housing 27, in which the reflective material 1 on carrier plates 6 in order to achieve a homogeneous illumination of the printing Material is arranged in the curing zone.
  • the reflector 5, in conjunction with the 12 low-pressure gas discharge lamps 7, ensures homogeneous illumination.
  • the low-pressure gas discharge lamps 7 are arranged at a close distance from one another and the printing material 9 is guided past the low-pressure gas discharge lamps 7 at a short distance. Due to the low heat development of the low-pressure gas discharge lamps 7, no complex cooling device and no heat protection glass are required.
  • the reflector 5 is fixed and has no pivotable parts.
  • FIG. 18 shows a detail of FIG. 17.
  • FIGS. 19, 20 and 21 show typical relative spectral radiation flows from mercury vapor lamps.
  • 19 and 20 each show the spectral radiation flux E in arbitrary units as a function of the wavelength w and in FIG. 21 in absolute units as a function of the wavelength w.
  • FIG. 19 shows the spectrum of a high-pressure lamp
  • FIG. 20 shows that of a UV-C low-pressure lamp. It can be seen that the UV-C low-pressure gas discharge lamp predominantly emits in the UV-C range, whereas the main emission range of the high-pressure lamp is at longer wavelengths.
  • the UV-C low pressure gas discharge lamp of Fig. 20 is a low pressure lamp without the addition of phosphors, i.e. a non-actinic low pressure lamp.
  • 21 shows the spectrum of a UV-B low-pressure gas discharge lamp. This is a fluorescent lamp, the main emission area of which is shifted into the area at 305 nm by the addition of fluorescent materials. In addition, secondary intensities occur in the UV-A and visible range.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Härten einer UV-härtenden Druckfarbe (14) auf einem Bedruckstoff (9), bei denen die Druckfarbe (14) mit UV-Licht einer UV-Strahlungsquelle (8) bestrahlt wird. Es wird vorgeschlagen, daß als UV-Strahlungsquelle (8) eine Niederdruck-Gasentladungslampe (7) verwendet wird. Eine weitere Besonderheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß sie einen feststehenden Reflektor (5) aufweist, der insbesondere eine spezielle Reflexionsschicht aus einem diffus reflektierenden Material auf Basis eines Silikonkautschuks mit darin eingebetteten, diffus reflektierenden Partikeln umfaßt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Härten von UV-Druckfarben
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten einer UV- härtenden Druckfarbe auf einem Bedruckstoff, bei dem die Druckfarbe mit UV-Licht einer UV-Strahlungsquelle be¬ strahlt wird. Ferner richtet sie sich auf eine entspre¬ chende Vorrichtung zum Bestrahlen der Druckfarbe mit UV- Licht.
UV-härtende Druckfarben sind lösemittelarme oder löse¬ mittelfreie, strahlenhärtende Druckfarben und haben in jüngerer Zeit zunehmend an Bedeutung gewonnen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Energie der UV-Strahlung hoch ist und daher bei Druckverfahren zum Bedrucken von Bedruckstoffen mit hoher Druckgeschwindigkeit, insbeson¬ dere im Flach- oder Hochdruck, von Vorteil ist. Auch in der praktischen Anwendung, beispielsweise in bezug auf die Topfzeit, die Lösemittelbelastung der Umwelt und die Entsorgung weisen sie gegenüber lösemittelhaltigen Farben anwendungstechnische Vorteile auf.
UV-härtende Druckfarben weisen ein UV-härtbares Bindemit¬ telsystem aus einem polymerisierenden Bindemittel oder Bindemittelgemisch und einem oder mehreren zugehörigen Photoinitiatoren auf. Durch UV-Bestrahlung kann die Poly- merisation bzw. Vernetzung ausgelöst werden, wodurch die Farbe härtet. Man unterscheidet zwischen der radikali¬ schen und der kationischen Polymerisation. Bekannte radi¬ kalisch polymerisierende Bindemittel bestehen auf Basis von Acrylaten, wogegen sich die kationisch polymerisie- renden durch eine bei der UV-Bestrahlung freigesetzte Säure auszeichnen. Die Erfindung richtet sich unabhängig von dem speziellen Bindemittelsystem allgemein auf die Härtung UV-härtbarer Druckfarben.
Bekannte Anwendungen UV-härtender Druckfarben sind bei¬ spielsweise folgende: Bogen-Offsetdruck (z.B. Verpackun¬ gen), Endlos-Offsetdruck (z.B. Postwurf-Sendungen) , Trocken-Offset (indirekter Hochdruck, z.B. Becher und Tu¬ ben) , Etiketten-Druck (Buch- und Flexodruck) , Flexodruck (z.B. Verpackungsfolien) und Siebdruck (z.B. technische Teile) . Der Vorteil der UV-Härtung, die oft auch als UV- Trocknung bezeichnet wird, liegt darin, daß die lösemit¬ telfreien bzw. lösemittelarmen Druckfarben durch UV- Strahlung auf dem Bedruckstoff schnell trocknen, so daß dieser sofort weiterverarbeitet oder verpackt werden kann. Die Erfindung richtet sich auf das Härten der ver¬ druckten Druckfarbe und ist somit unabhängig von einem speziellen Druckverfahren, mit dem die Druckfarbe auf den Bedruckstoff aufgebracht wird.
Bei der industriellen Strahlungshärtung von Druckfarben werden erhebliche technische Anforderungen gestellt. Um die Forderung nach immer höheren Produktionsgeschwindig¬ keiten von 100 bis 400 m/min und mehr zu erfüllen, werden im Stand der Technik bisher sehr hohe Ausgangsleistungen der eingesetzten UV-Strahlungsquellen gefordert. Beim Mehrfarbendruck kommt hinzu, daß die Abstände der Druck¬ werke untereinander kurz sein müssen, um mit vertretbarem technischen Aufwand die genaue Passung der nacheinander gedruckten Farben zu gewährleisten. Aus diesen Maximalab¬ ständen in Verbindung mit der hohen Druckgeschwindigkeit resultieren außerordentlich kurze Zeiten, innerhalb deren die Farbe soweit gehärtet sein muß, daß sie bei der wei¬ teren Handhabung nicht verschmieren kann. Gebräuchliche Abstände zwischen den Druckwerken betragen ca. 0,3 m bis 1,0 m, was einer Produktionslaufzeit von Druckstation zu Druckstation von ca. 0,1 sec entspricht.
Wenn man sich diese hohen Anforderungen vor Augen führt, wird deutlich, daß der UV-Intensität der verwendeten Strahlungsquellen große Bedeutung zukommt . Um diese zu erzielen, wurden bisher in der Praxis als UV-Strahlungs- quelle bei den eingangs genannten Verfahren in indu¬ striellen Anwendungen nahezu ausschließlich Quecksilber¬ dampf-Hochdruck- und Mitteldruckstrahler eingesetzt, weil diese eine besonders hohe UV-Intensität ermöglichen. Bei¬ spiele hierfür sind die DE-3902643 C2 und DE 4301718 AI .
Die Bogenlänge der konventionell eingesetzten Strahler variiert zwischen 10 cm und 220 cm und die spezifischen elektrischen Leistungen liegen im Bereich von 30 bis 250 Watt pro Zentimeter Bogenlänge. Die UV-Lichtleistung be¬ trägt etwa 20 Watt pro Zentimeter Bogenlänge. Das Leucht- rohrmaterial besteht wegen des Erfordernisses der UV- Lichtdurchlässigkeit aus Quarz und die Lampen werden mit einem Gasdruck von 1 bis 2 atm betrieben. In besonderen Anwendungsfällen werden auch Laser, insbesondere Excimer- Laser zur Erzeugung der UV-Strahlung eingesetzt.
Die vorgenannten, konventionell verwendeten UV-Strah¬ lungsquellen haben den Vorteil, daß mit ihnen eine sehr hohe flächenbezogene UV-Intensität auf dem Bedruckstoff erzeugt werden kann und somit sehr kurze Härtungszeiten realisierbar sind, die im Bereich von Zehntelsekunden liegen können. Nachteilig bei Excimer-Lasern ist der hohe technische Aufwand. Die Mitteldruck- und Hochdruck-Gas¬ entladungslampen sind aus diesem Grund mehr verbreitet. Sie haben jedoch den Nachteil, daß ihr Wirkungsgrad für die Emission von UV-Licht in dem relevanten Spektralbe¬ reich nur etwa 20 % beträgt, so daß 80 % der zugeführten Energie als Verlustleistung anfällt und durch Kühlen ab¬ geführt werden muß.
Aufgrund der hohen Leistungsaufnahme und der hohen Ver¬ lustleistung der Lampen liegt ihre Oberflächentemperatur im Bereich von 800 bis 900 °C, was besondere technische Maßnahmen zur Kühlung der Umgebung erfordert. Da die Lam¬ pen nach dem Abschalten nicht sofort wieder gestartet werden können, sind auch Vorkehrungen dafür zu treffen, daß bei Stillstand der Druckmaschine der Bedruckstoff bzw. die auf den Bedruckstoff aufgebrachte Druckfarbe nicht verbrennen kann. Aus diesem Grund sind ferner Wärmeschutzgläser, auch in gekühlter Form, sowie schwenk¬ bare Reflektoren vorgesehen. Bei einer Druckmaschine nach dem Stand der Technik, die eine Gesamtleistungsaufnähme von 100 kW hat, beträgt der Anteil der Trocknereinheit mehr als 50 kW, typischerweise 80 kW.
Die konventionelle Verwendung von Mitteldruck- und Hoch¬ drucklampen ist somit technisch sehr aufwendig und be¬ dingt einen hohen Energieverbrauch. Die damit verbundenen Nachteile werden in der strahlenhärtenden Drucktechnik jedoch in Kauf genommen, da man bisher davon ausgegangen ist, daß für die Realisierung kurzer Härtungszeiten sehr intensive UV-Strahler mit einer hohen UV-Strahlungslei¬ stung erforderlich sind.
In der Literaturstelle Industrie-Lackier-Betrieb, 1969, Seite 85-91 wurde für die Härtung UV-härtbarer Lackfilme zur Verminderung der thermischen Belastung die Verwendung sogenannter aktinischer bzw. superaktinischer Leucht¬ stofflampen vorgeschlagen. Dies sind spezielle Nieder¬ drucklampen, bei denen eine Leuchtstoffbeschichtung das Intensitätsmaximum in Richtung von Rot verschiebt, um da¬ durch ein Spektrum zu erhalten, daß hohe Anteile im UV-A¬ Bereich enthält. Der hohe UV-A-Anteil wurde von der Fach¬ welt für erforderlich gehalten, um eine rasche Reaktion zu gewährleisten. Die gleiche Auffassung wird in der Fachwelt hinsichtlich der Härtung pigmentierter Systeme, wie Druckfarben vertreten.
So wurde in der JP 59189340 A2 (Derwent-Referat Nr. 84- 303796/49) eine als Druckfarbe verwendbare Verbindung vorgeschlagen, die mit einer Vielzahl verschiedener UV- Strahlungsquellen, darunter auch Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruck-Quecksilberlampen, härtbar ist. Aus den in dieser Druckschrift beschriebenen Anwendungsmöglich¬ keiten geht hervor, daß die Lampen überwiegend im UV-A- oder sichtbaren Spektralbereich emittieren und zudem mit schnellen industriellen Produktionsprozessen nicht ver¬ gleichbare lange Bestrahlungszeiten erforderlich sind.
Der Erfindung liegt unter Berücksichtigung dieses Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Härten einer UV-härtenden Druckfarbe auf einem Bedruckstoff zu schaffen, welche die mit der hohen Wärmeentwicklung verbundenen Nachteile ge¬ bräuchlicher UV-Gasentladungslampen vermeidet.
Zur Lösung dieser Aufgabe bei einem eingangs genannten Verfahren und bei einer entsprechenden Vorrichtung wird vorgeschlagen, daß als UV-Strahlungsquelle eine Nieder¬ druck-Gasentladungslampe verwendet wird, deren über den UV-B- und UV-C-Bereich integrierter spektraler Strah- lungsfluß mehr als 50 %, bevorzugt mehr als 75 % des UV- Strahlungsflusses beträgt .
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde überraschen¬ derweise festgestellt, daß die außerordentlich schwie¬ rigen Anforderungen bei der Strahlungshärtung von Druck¬ farben mit einer Niederdruck-Gasentladungslampe gelöst werden können, ohne daß deren Wellenlängenspektrum - wie bisher für erforderlich gehalten - zu längeren Wellen¬ längen bzw. in einem hohen Ausmaß zu längeren Wellen¬ längen verschoben wird.
Die Grenzen des UV-Spektrums sowie seine Einteilung in verschiedene Bereiche sind in der Literatur nicht ein¬ heitlich. Im Rahmen der Erfindung wird das UV-Spektrum nach DIN 5031, Teil 7, eingeteilt. Es umfaßt den Bereich von 100 bis 380 nm, wobei der UV-C-Bereich von 100 bis 280 nm, der UV-B-Bereich von 280. bis 315 nm und der UV-A-Bereich von 315 bis 380 nm reicht. Unter spektralem Strahlungsfluß wird die Strahlungsleistung in Watt pro nm als Funktion der Wellenlänge verstanden. Der Strahlungs¬ fluß ist ein Maß für die Intensität der Strahlung. Durch Integration bzw. Summation des spektralen Strahlungsflus¬ ses über ein Wellenlängenintervall erhält man den in die¬ sem Wellenlängenintervall abgestrahlten Strahlungsfluß.
Erfindungsgemäße Niederdruck-Gasentladungslampen sind Lampen, die in der Regel mit einem Gasdruck zwischen 10 mbar und 50 mbar, bevorzugt zwischen 20 mbar und 30 mbar betrieben werden. Ihre spezifische elektrische Leistungs¬ aufnahme ist erheblich niedriger als bei Mitteldruck- und Hochdrucklampen und liegt im Bereich zwischen 0,2 und 2,5, bevorzugt zwischen 0,5 und 1,0 Watt pro Zentimeter ihrer Bogenlänge. Obwohl die Niederdruck-Gasentladungs¬ lampen einen Wirkungsgrad für den relevanten UV-Bereich aufweisen, der höher als bei den gebräuchlichen Lampen ist und zwischen 30 und 40 % liegt, ist der insgesamt er¬ zielte UV-Strahlungsfluß erheblich geringer als bei kon¬ ventionell verwendeten Lampen. Er beträgt ca. 0,2 Watt pro Zentimeter Bogenlänge und ist somit etwa einen Faktor 100 kleiner als bei zuvor üblichen Mittel- und Hochdruck¬ lampen.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß auch mit Niederdruck-Gasentladungslampen UV-härtende Druckfarben in befriedigender Weise gehärtet werden können, und zwar auch dann, wenn die Druckfarbe mit einer UV-Beleuchtungs¬ stärke zwischen 1 und 100 mW/cm2, bevorzugt zwischen 10 und 50 mW/cm2, bestrahlt wird. Bei Mittel- und Hochdruck¬ lampen beträgt die UV-Bestrahlungsstärke des Bedruck¬ stoffs etwa 1 W/cm . Die auf den Bedruckstoff bezogene Bestrahlungsstärke gibt an, welcher Strahlungsfluß auf ein, gegebenenfalls um einen Winkel gegen die Strahlungs¬ richtung geneigtes, Flächenelement des Bedruckstoffs auf- trifft. Die Bestrahlungsstärke hat die Einheit W/cm2.
Die erfindungsgemäße Verwendung von Niederdruck-Gasent¬ ladungslampen hat verschiedene für die praktische Anwen¬ dung bedeutsame Vorteile. Ihre Oberflächentemperatur ist erheblich niedriger. Bei Quecksilberdampflampen liegt sie beim normalen und optimalen Betrieb bei etwa 30 °C. Bei Amalgamstrahlern, die gegenüber Quecksilberdampflampen den Vorteil einer etwas höheren UV-Lichtausbeute aufwei¬ sen, liegt die Temperatur im Normalbetrieb bei ca. 120 °C. Diese niedrigere Oberflächentemperatur in Verbin¬ dung mit der geringeren Leistungsaufnahme führt zu einer beträchtlich reduzierten Temperaturbelastung der Umgebung der Lampe und des Bedruckstoffs. Aber auch die reduzierte Erwärmung des Gegendruck¬ zylinders ist technisch vorteilhaft, insbesondere bei Mehrfarbdruckwerken. Bisher war ein sehr hoher tech¬ nischer Aufwand erforderlich, um den Gegendruckzylinder auf eine konstante Temperatur zu temperieren, da dies we¬ gen der thermischen Ausdehnung für die Qualität und die Durchführbarkeit des Druckvorgangs von entscheidender Be¬ deutung ist. Aufgrund der verringerten Temperaturbela¬ stung ist es auch möglich, bisher nicht bedruckbare Be- druckstoffe mit UV-härtenden Druckfarben zu bedrucken, beispielsweise temperaturempfindliche Kunststoffolien (z.B. Schrumpffolien).
Aufgrund des vergleichsweise geringen Energiebedarfs von Niederdruck-Gasentladungslampen und des geringen appara¬ tiven Aufwandes, der zur Kühlung erforderlich ist, kann der Anteil der Trocknereinheit an der Gesamtleistungsauf¬ nahme von 100 kW einer Druckmaschine auf etwa 10 bis 15 kW oder weniger reduziert werden. Die Leistungsaufnahme einer Mitteldruck-Gasentladungslampe mit dem dazugehöri¬ gen Kühlgebläse beträgt typischerweise ca. 3,5 kW. Die Leistungsaufnahme von 10 erfindungsgemäßen Niederdruck- Gasentladungslampen mit dem dazugehörigen Lüfter liegt dagegen bei nur ca. 400 W.
Außer der reduzierten Temperaturbelastung und Verbren¬ nungsgefahr sowie der verminderten Verlustleistung beste¬ hen weitere Vorteile der Niederdruck-Gasentladungslampen in einer kürzeren Austauschzeit, da die Lampen nach einem Defekt kaum Zeit zum Erkalten benötigen und daher schnel¬ ler gewechselt werden können. Niederdruck-Gasentladungs¬ lampen haben zudem gegenüber gebräuchlichen Lampen den Vorteil, daß sie nur eine kurze oder gar keine Einlauf- zeit bis zum Erreichen stabiler Betriebsbedingungen benö¬ tigen, nach dem Abschalten sofort wiederstartbar sind, und daß die Intensität der Lampe regelbar ist. Zudem besteht nicht wie bei Mitteldrucklampen die Gefahr des Einbrennens von Farbtrδpfchen oder Verschmutzungsteilchen auf dem Kolben, die zur Zerstörung der Lampe führen kön¬ nen. Die Lebensdauer von Niederdruck-Gasentladungslampen ist mit etwa 8000 Stunden mindestens vier mal so groß wie die von Mitteldrucklampen.
Auch die mit dem Betrieb von Niederdruck-Gasentladungs¬ lampen verbundene Erzeugung von Ozon ist im Vergleich zu Mitteldrucklampen erheblich reduziert. Dies ist darauf zurückzuführen, daß Niederdruck-Gasentladungslampen bei der kritischen Wellenlänge von 185 nm, bei deren Einwir¬ ken auf Luftsauerstoff Ozon entsteht, nicht oder nur sehr gering emittieren. Mitteldrucklampen dagegen führen zu einer beträchtlichen Ozonbelastung.
Insgesamt gesehen werden mit der Erfindung somit Ziele erreicht, um die sich die Fachwelt schon lange bemüht hat . Um dabei besonders gute Ergebnisse hinsichtlich Qua¬ lität und Geschwindigkeit der Anordnung, sowie hinsicht¬ lich der konstruktiven Erfordernisse der Druckmaschine zu gewährleisten, werden bevorzugt die nachfolgenden Maßnah¬ men einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt.
Es kann vorteilhaft sein, wenn der über den UV-B-Bereich integrierte spektrale Strahlungsfluß mehr als 50 %, be¬ vorzugt mehr als 75 % des UV-Strahlungsflusses beträgt. In diesem Fall wird man die Lampe als UV-B-Strahler be¬ zeichnen. Es kann ferner vorteilhaft sein, wenn der über den UV-C-Bereich integrierte spektrale Strahlungsfluß mehr als 50 %, bevorzugt mehr als 75 % des UV-Strahlungs- flusses beträgt . In diesem Fall wird man die Lampe als UV-C-Strahler bezeichnen. Im Rahmen der Erfindung haben sich sowohl UV-C- als auch UV-B-Niederdruck-Gasentladungslampen als vorteilhaft für den Härtungsprozeß herausgestellt. Bei einer UV-C-Nieder- druck-Gasentladungslampe kann der über den UV-C-Bereich integrierte spektrale Strahlungsfluß mehr als 50 %, be¬ vorzugt mehr als 75 % des UV-Strahlungsflusses betragen. Bei einer UV-B-Niederdruck-Gasentladungslampe kann ent¬ sprechend der über den UV-B-Bereich integrierte spektrale Strahlungsfluß mehr als 50 %, bevorzugt mehr als 75 % des UV-Strahlungsflusses betragen.
Das Maximum der spektralen Strahlungsflußverteilung, ins¬ besondere des UV-Strahlungsflusses, der Niederdruck-Gas¬ entladungslampe kann vorteilhafterweise im UV-B- oder UV- C-Bereich liegen. Bei einem Linienspektrum bezieht sich dies auf die Wellenlänge mit der höchsten UV-Intensität. Bei einem kontinuierlichen Spektrum bezieht sich diese Angabe auf das Maximum der spektralen Strahlungsflußver¬ teilung. Sofern das UV-Spektrum sowohl Linien als auch Kontinua aufweist, bezieht sich dieses Merkmal auf das Maximum hinsichtlich der Linien und kontinuierlichen Emissionsbereiche.
Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal wird vorge¬ schlagen, daß eine Niederdruck-Gasentladungslampe verwen¬ det wird, deren oberhalb einer Wellenlänge von 190 nm, insbesondere oberhalb von 240 nm integrierter spektraler UV-Strahlungsfluß mehr als 50 , bevorzugt mehr als 75 % ihres UV-Strahlungsflusses, insbesondere ihres UV-C- Strahlungsflusses, beträgt. Insbesondere ist es vorteil¬ haft, wenn der oberhalb einer Wellenlänge von 190 nm, insbesondere oberhalb von 240 nm integrierte spektrale UV-C-Strahlungsfluß mehr als 50 %, bevorzugt mehr als 75 % des UV-Strahlungsflusses beträgt. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Niederdruck-Gasent¬ ladungslampe mehr als 50 %, bevorzugt mehr als 75 % des Strahlungsflusses ihres UV-Lichtes im UV-C-Bereich ober¬ halb einer Wellenlänge von 240 nm emittiert. Sie unter¬ scheidet sich damit erheblich von den Mitteldrucklampen, bei denen der Hauptanteil des emittierten UV-Spektrums im UV-B- oder UV-A-Bereich liegt. Da nicht nur die Gesamtin¬ tensität, sondern auch die Verteilung der einzelnen Linien von Bedeutung sein kann, ist es vorteilhaft, wenn die vorgenannten Bedingungen auf die Wellenlängen zutref¬ fen, die eine Intensität von mehr als 20 % der UV-Wellen¬ länge mit der höchsten Intensität haben. Das Intensitäts- maximum von UV-C-Niederdruck-Gasentladungslampen liegt normalerweise im Wellenlängenbereich zwischen 249 und 259 nm, insbesondere bei 254 nm.
Die ebenfalls vorteilhaften UV-B-Niederdruck-Gasent- ladungslampen werden auch als UV-B-Leuchtstofflampen be¬ zeichnet. Sie weisen einen Phosphorbeschichtung auf, durch die das Maximum des Strahlungsflusses in den UV-B- Bereich verschoben wird. Es liegt vorteilhafterweise oberhalb von 305 nm. Die jeweilige Lage des Intensitäts¬ maximums und der emittierten Linien sowie insbesondere deren Linienbreite kann durch den Phosphor bzw. die Phos¬ phormischung beeinflußt werden. Die mögliche Bandbreite reicht dabei von sehr schmalbandiger, fast monochromati¬ scher UV-B-Strahlung bis zu einer fast den ganzen UV-B- Bereich abdeckenden Emission. Vorteilhafterweise emittie¬ ren UV-B-Niederdruck-Gasentladungslampen mehr als 50 %, bevorzugt mehr als 75 % ihres UV-Lichtes im UV-B-Bereich.
Im allgemeinen sind im Rahmen der Erfindung Niederdruck- Gasentladungslampen bevorzugt, deren Emissionsspektrum nicht durch Zusatz von Leuchtstoffen in Richtung auf län¬ gere Wellenlängen verschoben wird. Dies bedeutet, daß weder eine aktinische noch eine superaktinische Gasent¬ ladungslampe zum Einsatz kommt. Die UV-B-Lampen sind zwar nicht ganz so vorteilhaft, wie UV-C-Strahler, da ihre Lichtausbeute, bedingt durch den Lichtumwandlungsschritt, geringer ist und die Druckfarbe in dem von ihnen emit¬ tierten Spektralbereich möglicherweise weniger reaktiv als im UV-C-Bereich ist; sie stellen jedoch gegenüber den vorbekannten Mitteldruck- und Hochdruckstrahlern eben¬ falls eine wirtschaftlich interessante Verbesserung dar.
Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal kann vorgesehen sein, daß mehrere Niederdruck-Gasentladungslampen mit sich unterscheidenden Emissionsspektren verwendet werden, insbesondere eine Kombination einer UV-C- mit einer UV-B- Niederdruck-Gasentladungslampe.
Die gegebenenfalls vorteilhafte Verwendung von Nieder¬ druck-Gasentladungslampen mit sich unterscheidenden Emis¬ sionsspektren zur Erzeugung von Mischlicht kann sowohl durch die Verwendung unterschiedlicher Lampen als auch durch die Verwendung von Lampen, die nur bereichsweise mit Leuchtstoff beschichtet sind, realisiert werden. Das Verhältnis des integrierten UV-B- zu dem integrierten UV-C-Strahlungsfluß kann zwischen 0:1 und 1:0 liegen, wo¬ bei aus den vorstehend genannten Gründen in der Regel ein höherer UV-C-Anteil bevorzugt sein wird.
Konventionelle UV-härtende Druckfarben sind in ihrem Bin¬ demittelsystem auf die jeweilige Strahlung der UV-Strah¬ lungsquelle abgestimmt. Man sollte daher erwarten, daß konventionelle Druckfarben nicht im Rahmen der Erfindung geeignet sind und spezielle Bindemittelsysteme oder insbesondere spezielle Photoinitiatoren erforderlich sind, die auf das UV-Spektrum der erfindungsgemäß verwen¬ deten Niederdruck-Gasentladungslampen abgestimmt sind. Zweifellos trifft es zu, daß es für den Fachmann möglich ist, optimierte und speziell auf Niederdruck-Gasent¬ ladungslampen abgestimmte Druckfarbenzusammensetzungen und Photoinitiatoren zu entwickeln. Überraschenderweise hat sich im Rahmen der Erfindung jedoch herausgestellt, daß auch mit konventionellen Druckfarben gute Härtungser¬ gebnisse erzielt werden können. Dies gilt beispielsweise für die UV-Flex Farben der XKC-Serie der Gebrüder Schmidt Druckfarben, Frankfurt, insbesondere des Typs 80 XKC 1004-1.
Für das erfindungsgemäße Verfahren ist beispielsweise eine Druckfarbe geeignet, die ein Bindemittelsystem mit folgenden Komponenten enthält: a) Ein oder mehrere cycloaliphatische Epoxidharze als härtbares Bindemittel und b) ein oder mehrere Arylsulfoniumsalze als Photo¬ initiatoren. Ein cycloaliphatisches Epoxidharz ist ein kationisch härtbares Bindemittel. Selbstverständlich kann die Farbe noch weitere übliche Bestandteile wie weitere Photoinitiatoren, Lösemittel, Pigmente, Farbstoffe, Ver¬ dünnungsmittel, Reaktiwerdünner, Wachse, Verlaufsmittel, Netzmittel oder andere Zusatzstoffe enthalten.
Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmale wird vorge¬ schlagen, daß die Komponente b) ein Triarylsulfoniumsalz enthält. Dabei ist es bevorzugt, wenn das Triarylsulfo¬ niumsalz eine Triarylsulfoniumantimonat, insbesondere ein Triarylsulfoniumhexafluorantimonat enthält. Vorteilhaf¬ terweise kann ferner vorgesehen sein, daß die Komponente b) eine Mischung aus verschiedenen Arylsulfoniumsalzen enthält. Neben dem cycloaliphatischen Epoxidharz können auch weitere Bindemittel in der Druckfarbe enthalten sein. In der Drucktechnik werden überwiegend radikaliseh härtende Druckfarben verwendet, da bei ihnen im Vergleich zu einer kationisch härtenden Druckfarbe bei Bestrahlung mit einer konventionellen Mitteldruck-Lampe eine kürzere Trocknungszeit erzielt wird. Die radikalisch härtenden Farben haben ferner den Vorteil, daß sich ihre chemische Zusammensetzung sehr weit variieren läßt. Die hierbei meist verwendeten Bindemittel absorbieren jedoch zumeist im UV-C-Bereich erheblich, so daß selbst bei Verwendung von im UV-C-Bereich absorbierenden Photoinitiatoren nur eine geringe Reaktivität der Druckfarbe erzielt werden kann. Im Gegensatz hierzu sind die bei kationisch härtba¬ ren Druckfarben verwendeten Bindemittel im UV-C-Bereich in einem hohen Maße transparent, so daß auch mit einer UV-C- oder UV-B-Niederdruck-Gasentladungslampe eine hohe Reaktivität erreicht werden kann. Aus den vorstehend ge¬ nannten Gründen sind im erfindungsgemäßen Zusammenhang kationisch härtende Farben auf Basis von Epoxiden bevor¬ zugt. Radikalisch härtende Farben sind jedoch auch verwendbar.
Allgemein ist es von Vorteil, wenn eine Druckfarbe mit¬ tels des erfindungsgemäßen Druckverfahrens gehärtet wird, deren Bindemittelkomponente für das von der Niederdruck- Gasentladungslampe im UV-C- bzw. UV-B-Bereich emittierte UV-Licht in einem hohen Maße transparent ist, so daß tie¬ ferliegende Schichten noch in ausreichendem Umfang von UV-Licht erreicht werden. Dies bedeutet, daß die Absorp¬ tionskurve des Bindemittels entsprechend den bei Hoch- und Mitteldrucklampen verwendeten Standard-Bindemitteln, verschoben zu kürzeren Wellenlängen, entsprechen soll. Übliche Schichtdicken liegen beim Offset zwischen 1 und 3 μm und beim Flexodruck zwischen 3 und 8 μ . Hinzu kommen jeweils die Quetschränder von maximal 20 μm Dicke, so daß das Bindemittel bis zu einer Dicke von 20 μm hinreichend transparent sein soll. Dies bedeutet vorzugsweise, daß die Transparenz des Bindemittels bis zu dieser Schicht- dicke so hoch ist, daß es nicht mehr als die Hälfte der einfallenden UV-Intensität der Niederdruck-Gasentladungs¬ lampe absorbiert. Entsprechend gilt für das System aus Bindemittel und Photoinitiator, daß bis zu der Schicht- dicke von 20 μm vorzugsweise mehr als 10 % des UV-Lichtes absorbiert wird.
Für die Verwendbarkeit einer Druckfarbe im erfindungs- gemäßen Zusammenhang sind insbesondere die Eigenschaften des Bindemittels, nämlich seine Transparenz für das ein¬ gesetzte UV-Licht, und die Reaktivität des Bindemittel- Photoinitiator-Systems von Bedeutung. Ferner sollen, wie üblich, die einzelnen Komponenten mischbar und unterein¬ ander verträglich sein, also keine Spontanreaktionen aus¬ lösen. Die Füllstoffe und Zusatzstoffe können in flüssi¬ ger oder fester Form vorliegen und unterliegen den glei¬ chen Erfordernissen hinsichtlich der Transparenz für UV- Licht wie die Bindemittel.
Die Pigmente können anorganischer oder organischer Art sein. Anorganische sind in der Regel Feststoffe, organi¬ sche können fest oder flüssig sein. Bei flüssigen Pig¬ menten sind die Konzentration und Absorptionseigenschaf¬ ten in geeigneter Weise einzustellen. Das gilt auch für feste Pigmente, bei denen zusätzlich von der jeweiligen Korngröße abhängige Streueffekte hinzukommen.
Die Druckfarbe sollte für das UV-Licht hinreichend reak¬ tiv und durch dieses aktivierbar sein. Dies gilt insbe¬ sondere für die Photoinitiatoren, die in dem eingesetzten Wellenlängenbereich hinreichend reaktiv sein sollen. Die Reaktivität bedeutet dabei zweierlei. Einerseits muß die Absorption des UV-Lichtes hinreichend hoch sein. Anderer- seits sollen die Photoinitiatoren die absorbierte Energie auch gut auf die entsprechenden Radikale (radikalische Polymerisation) oder Säuren (kationische Polymerisation) zur Auslösung der Kettenreaktion für die Polymerisation übertragen bzw. umsetzen. Der Photoinitiator sollte daher in ausreichend hohem Maße absorbieren und in geeigneter Konzentration vorliegen. Ferner muß er in der Lage sein, die Energie des absorbierten UV-Lichtes auf die Monomere zu übertragen. Dies gilt sowohl für die radikalische, als auch für die kationische Härtung.
Es ist auch möglich, mehrere Photoinitiatoren in einer Druckfarbe zu verwenden. Diese weisen dann ein unter¬ schiedliches Absorptionsverhalten auf, so daß die Initia¬ toren der Kettenreaktion von den Aktivatoren der Lichtab¬ sorption verschieden sind.
Allgemein ist es vorteilhaft, wenn eine Druckfarbe gehär¬ tet wird, deren Bindemittelkomponente für das von der Niederdruck-Gasentladungslampe emittierte UV-Licht in einem hohen Maß transparent ist und deren Photoinitiator¬ komponente das von der Niederdruck-Gasentladungslampe emittierte UV-Licht sowohl in einem hohen Maß absorbiert, als auch bei diesen Wellenlängen aktivierbar und reaktiv ist. Im allgemeinen wird es daher vorteilhaft sein, wenn die Bindemittel-und Photoinitiatorkomponente der Druck¬ farbe derart zusammengesetzt und aufeinander abgestimmt sind, daß die Druckfarbe mit dem von der Niederdruck-Gas¬ entladungslampe emittierten UV-Licht bis zu einer Schichtdicke von 20 μm härtbar ist.
Ein weiteres bevorzugtes Merkmal besteht darin, daß die Druckfarbe auch bei Raumtemperatur eine hohe Reaktivität aufweist. Die Druckfarbe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kaum oder gar nicht erwärmt; die Temperatur be- trägt während der UV-Härtung vorteilhafterweise nicht mehr als 40°C. Bei konventionellen Hoch- und Mitteldruck¬ lampen treten erheblich höhere Temperaturen auf, was auch anwendungstechnische Nachteile zur Folge hat.
Nach einem anderen vorteilhaften Merkmal wird vorgeschla¬ gen, daß die Dauer der UV-Bestrahlung zur Härtung der Druckfarbe weniger als 2 Sekunden, bevorzugt weniger als 1 Sekunde beträgt. Die kurze Reaktionszeit der Druckfarbe ist von Vorteil für die Verwirklichung hoher Produktions- geschwindigkeiten oder kurzer Abstände zwischen den ein¬ zelnen Druckstationen. Unter der Reaktionszeit wird dabei die Zeit verstanden, die verstreicht, bis die Oberfläche der Druckfarbe klebfrei wird, so daß der Bedruckstoff in weiteren Druckstationen bedruckt oder anderweitig verar¬ beitet werden kann. Die Durchhärtezeit kann erheblich länger sein. Bei radikalisch härtenden Druckfarben ist die Durchhärtezeit nur unwesentlich länger als die Reak¬ tionszeit. Bei kationisch härtenden Druckfarben bewirkt die UV-Bestrahlung in der Regel nur eine Initiierung bzw. Vorhärtung, wobei die Nachhärtung sehr kurz sein oder auch im Bereich bis zu 24 Stunden liegen kann. Die kurze Bestrahlungszeit bzw. Reaktionszeit ist, wie geschildert, nicht nur von Bedeutung für das Bedrucken einer hohen Stückzahl pro Zeiteinheit, sondern auch beim Mehrfarben¬ druck. Das dort bestehende Passerproblem erfordert kurze Strecken zwischen den Druckstationen und demzufolge auch eine rasche Zwischentrocknung zur Verhinderung der Farb¬ verschleppung.
Die Dauer, während der die Druckfarbe mit UV-Licht be¬ strahlt wird, hängt von der Geschwindigkeit ab, mit wel¬ cher der Bedruckstoff mit der Druckfarbe während der UV- Härtung relativ zu der Niederdruck-Gasentladungslampe be¬ wegt wird, sowie von der von Niederdruck-Gasentladungs- lampe bestrahlten Fläche ab. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können vorteilhafterweise Druckverfahren durch¬ geführt werden, bei denen der Bedruckstoff mit einer Bahngeschwindigkeit von mehr als 20 m/min., bevorzugt mehr als 40 m/min. und besonders bevorzugt mehr als 50 m/min. bewegt wird.
Die erfindungsgemäße Verwendung von Niederdruck-Gasentla¬ dungslampen, insbesondere in Verbindung mit den oben be¬ schriebenen UV-härtenden Druckfarben, hat sich besonders beim Flexodruck als vorteilhaft herausgestellt. Dies gilt für alle bekannten Druckmaschinenkonzeptionen für den Flexodruck, die sich wie folgt klassifizieren lassen:
1. Die Mehrzylinder-Druckmaschine ist ein Rotations¬ maschinentyp, bei dem vier oder sechs einzelne Druck¬ werke, insbesondere für das Verdrucken mehrerer Far¬ ben, zu einem Ständer plaziert sind.
2. Die Tandem-Druckmaschine ist ein Rotationsmaschinen¬ typ, bei dem jedes Druckwerk in einem eigenen Ständer plaziert ist.
3. Die Einzylinder-Maschine oder Zentral-Zylinder- Maschine ist ein Rotationsmaschinentyp, bei dem die Druckwerke um einen zentralen gemeinsamen Gegendruck¬ zylinder angeordnet sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Härten einer UV- härtenden Druckfarbe auf einem Bedruckstoff, mittels der die Druckfarbe mit UV-Licht einer UV-Strahlungsquelle be¬ strahlt wird, insbesondere zur Durchführung eines erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens, weist die Besonderheit auf, daß die UV-Strahlungsquelle eine Niederdruck-Gasentladungs¬ lampe umfaßt, deren über den UV-B- und UV-C-Bereich inte¬ grierter spektraler Strahlungsfluß mehr als 50 %, bevor¬ zugt mehr als 75 % des UV-Strahlungsflusses beträgt. Eine solche Vorrichtung wird im folgenden mit dem gebräuchli¬ chen Begriff "Trockner" bezeichnet.
Je nach Anwendungsfall kann der Trockner eine oder meh¬ rere UV-Strahlungsquellen umfassen. Wenn mehrere UV- Strahlungsquellen vorgesehen sind, können diese gleichen oder unterschiedlichen Typs sein. In besonderen Fällen kann es auch vorteilhaft sein, wenn neben einer Nieder¬ druck-Gasentladungslampe auch andere, bisher gebräuch¬ liche Strahlungsquellen vorhanden sind. Bevorzugt ist die ausschließliche Verwendung von Niederdruck-Gasentladungs¬ lampen. Nach einem vorteilhaften Merkmal wird vorgeschla¬ gen, daß der Trockner mehr als vier, bevorzugt mehr als acht Niederdruck-Gasentladungslampen aufweist.
Eine vorteilhafte Ausbildung kann insbesondere darin be¬ stehen, daß der Trockner mehrere, nebeneinander angeord¬ nete Niederdruck-Gasentladungslampen aufweist. Auf diese Weise kann eine hohe flächenbezogene UV-Beleuchtungs¬ stärke des Bedruckstoffs oder eine räumlich gleichmäßige Ausleuchtung realisiert oder eine relativ große Fläche ausgeleuchtet werden. Die Niederdruck-Gasentladungslampen können dabei stabförmig ausgebildet sein. Bevorzugt ist jedoch, wenn der Trockner mehrere U-förmig ausgebildete Niederdruck-Gasentladungslampen aufweist, die mit den Längsseiten der U-Form nebeneinanderliegend angeordnet sind. U-förmig ausgebildete Niederdruck-Gasentladungslam¬ pen haben den Vorteil, daß mit ihnen eine relativ hohe Beleuchtungsstärke erreicht werden kann. Wenn die Nieder¬ druck-Gasentladungslampen dabei wechselweise entgegen¬ gerichtet angeordnet sind, lassen sie sich besonders dicht aneinanderreihen, da die offenen und die geschlos¬ senen Enden der U-Formen eine alternierende Folge bilden und die mit den elektrischen Anschlußkontakten versehenen offenen Enden mit elektrischen Anschlußelementen kontak- tierbar sind, ohne daß der Abstand der Niederdruck-Gas¬ entladungslampen durch die Anschlußelemente begrenzt wird.
Der Abstand der Lampen untereinander und der Lampen zu dem Bedruckstoff unterliegt vorteilhafterweise der Forde¬ rung, daß die Bestrahlungsstärke in der Ebene des Be- druckstoffs, bezogen auf den hauptsächlich wirksamen Be¬ reich, d.h. zum Beispiel ohne Berücksichtigung der Ein¬ lauf- und Auslaufzone, möglichst homogen ist. Bei einem längs einer Transportrichtung bewegten und/oder in der Härtungszone rotierenden Bedruckstoff gilt dies für die beim Durchlauf durch den Trockner zeitlich aufintegrierte Intensität.
Zur Erzielung einer kompakten Bauweise und/oder zur Realisierung einer homogenen Bestrahlungsstärke, die um weniger als 30 %, bevorzugt um weniger als 20 % von einem mittleren Wert abweicht, können die Niederdruck-Gasentla¬ dungslampen in einem engen Abstand zueinander angeordnet sein. Die Kolben der Niederdruck-Gasentladungslampen kön¬ nen sogar ohne Abstand zueinander angeordnet sein und an¬ einander anstoßen. Der Abstand zwischen der Niederdruck- Gasentladungslampen, gemessen zwischen ihren Kolben, be¬ trägt vorteilhafterweise nicht mehr als 30 %, bevorzugt nicht mehr als 20 % als der Durchmesser der Kolben der Niederdruck-Gasentladungslampen.
Der Abstand der Niederdruck-Gasentladungslampe zum Be¬ druckstoff sollte mindestens so groß sein, daß durch Schwankungen der Lage des Bedruckstoffs kein Kontakt zu der Lampe hergestellt wird. Ein unter praktischen Gesichtspunkten vernünftiger Mindestabstand beträgt 1 cm. Die Obergrenze des Abstandes zwischen der Oberfläche der Niederdruck-Gasentladungslampe und dem Bedruckstoff kann vorteilhaf erweise weniger als 5 cm betragen.
Eine weitere bevorzugte Besonderheit besteht darin, daß die Vorrichtung einen Reflektor aufweist, mit dem von der Niederdruck-Gasentladungslampe emittiertes UV-Licht auf die zu härtende Druckfarbe reflektiert wird. Mittels eines Reflektors kann sowohl UV-Licht für die UV-Härtung genutzt werden, das von der Niederdruck-Gasentladungs¬ lampe nicht in Richtung auf den Bedruckstoff emittiert wird, als auch eine gleichmäßigere Ausleuchtung des Bedruckstoffs erzielt werden. Bei ausgedehnten Bedruck- stoffen ist der Reflektor vorteilhafterweise auf der von den Bedruckstoff abgewandten Seite der Niederdruck-Gas¬ entladungslampe angeordnet, so daß er das von der Nieder¬ druck-Gasentladungslampe in diese Richtung emittierte UV- Licht zu dem Bedruckstoff reflektiert. Bei nicht bahnen- förmigen Bedruckstoffen kann es aber auch vorteilhaft sein, wenn auf der von der Beleuchtungsquelle abgewandten Seite des Bedruckstoffs ein Reflektor angeordnet ist, um den Bedruckstoff allseitig gleichmäßiger auszuleuchten.
Auf der von dem Bedruckstoff abgewandten Seite der Niederdruck-Gasentladungslampe angeordnete Reflektoren sind auch im Stand der Technik in Verbindung mit Mittel- und Hochdrucklampen bekannt. Sie bestehen meist aus Me¬ tallplatten und sind schwenkbar, um in Stillstandspausen der Anlage die Wärmebelastung des Bedruckstoffs verrin¬ gern zu können. Ein erfindungsgemäßer Reflektor kann dagegen bevorzugt feststehend sein, da die Wärmebelastung des Bedruckstoffs durch die Niederdruck-Gasentladungs¬ lampe nicht kritisch ist und diese wegen ihrer sofortigen Wiederstartbarkeit erforderlichenfalls abgeschaltet wer¬ den kann. Der Reflektor ist somit technisch weniger auf¬ wendig und kostengünstiger. Die Reflexionsschicht des Reflektors kann aus planen Teilflächen zusammengesetzt sein. Eine fertigungstech¬ nisch besonders vorteilhafte Ausbildung besteht darin, daß der Reflektor eine einzige plane Reflexionsschicht aufweist. Wenn der Reflektor zudem feststehend ist, ist der technische Aufwand besonders niedrig.
In anderen Ausbildungen kann es zur Verbesserung der Lichtführung aber auch vorteilhaft sein, wenn die Refle¬ xionsschicht des Reflektors in Bezug auf die Niederdruck- Gasentladungslampe konkav gekrümmte Teilflächen aufweist. Ferner kann der Reflektor in konventioneller Weise mit einem Abstand zu der Niederdruck-Gasentladungslampe ange¬ ordnet sein. Durch die reduzierte Oberflächentemperatur der Niederdruck-Gasentladungslampe ist es jedoch auch möglich, daß der Reflektor in einem Linienkontakt oder in einem Flächenkontakt zu der Niederdruck-Gasentladungs¬ lampe steht . Auf diese Weise kann eine sehr kompakte Bau¬ form des Trockners bei dennoch hoher Lichtausbeute reali¬ siert werden. Der Flächenkontakt kann vorteilhafterweise auf 30 % bis 60 % der Fläche des Kolbens bzw. des Umfangs eines Querschnitts der Niederdruck-Gasentladungslampe be¬ stehen. Der jeweils optimale Wert bestimmt sich nach der Ausdehnung des Bedruckstoffs und dessen Abstand zu der Niederdruck-Gasentladungslampe.
Zur Erzielung eines hohen Reflexionsgrades kann es vor¬ teilhaft sein, wenn der Reflektor eine dielektrische Spiegelschicht aufweist. Eine dielektrische Spiegel- schicht ist ein Mehrschichtensystem aus optischen Vergü¬ tungsschichten, die den Reflexionsgrad erhöhen. Der Re¬ flektor selbst kann dabei aus Metall, Glas oder anderen geeigneten Materialien bestehen. Um eine räumlich gleichmäßige Beleuchtungsstärke des Be- druckstoffs zu erzielen, ist der Reflektor vorteilhafter¬ weise diffus reflektierend, d.h. der Reflektor weist eine Reflexionsschicht aus einem optisch diffus reflektieren¬ den Material auf. Optisch diffus reflektierende Materia¬ lien sind Stoffe, die aufgrund ihrer Zusammensetzung auf- treffende optische Strahlung diffus reflektieren bzw. durchdringende Strahlung diffus austreten lassen. Damit können sie als Lambertsche Oberfläche bzw. als Lam- bertsche Strahler bezeichnet werden. In der Regel sind sie mattweiß.
Das optisch diffus reflektierende Material kann in be¬ kannter Weise aus Keramikplatten oder aus Metallreflek¬ toren, die eine aufgerauhte, metallische, reflektierende Oberfläche aufweisen (z.B. Aluminiumplatten), bestehen. Auch eine Beschichtung aus einem Lack, insbesondere einem Transparentlack, der mit diffus reflektierenden Partikeln wie Bariumsulphat, Titanoxid oder Magnesiumoxid versetzt ist, kommt in Betracht.
Nach einem besonders vorteilhaften Merkmal wird vorge¬ schlagen, daß das optisch diffus reflektierende Material der Reflexionsschicht des Reflektors eine Matrix aus einem transparenten, im wesentlichen aus einem härtbaren Silikonkautschuk bestehenden Matrixmaterial, in das dif¬ fus reflektierende Partikel eingebettet sind, aufweist. Ein solches Material ist optisch, chemisch, biologisch und temperaturbeständig sowie verschmutzungsunanfällig und leicht zu reinigen. Es weist eine gute Alterungsbe¬ ständigkeit und eine hohe Transparenz, insbesondere UV- Transparenz, auf.
Das erfindungsgemäße Matrixmaterial besteht im wesentli¬ chen aus einem Silikonkautschuk. Im wesentlichen bedeutet dabei, daß der Silikonkautschuk nicht mehr an Fremdstof¬ fen aufweist, als zur Erzielung der gewünschten Eigen¬ schaften tolerierbar ist, die Eigenschaften des Matrixma¬ terials also durch den Silikonkautschuk bestimmt werden. Im Regelfall wird das Matrixmaterial aus einem Silikon¬ kautschuk mit einer handelsüblichen, vorzugsweise einer hohen Reinheit von beispielsweise mehr als 95 % bestehen.
Im Rahmen der Erfindung sind prinzipiell alle bekannten Silikonkautschuke geeignet. Je nach Anwendungsfall kann ein geeigneter Silikonkautschuk mit den erforderlichen Eigenschaften als Matrixmaterial ausgewählt werden. Es kommen sowohl kondensationsvernetzende, als auch addi- tionsvernetzende Kautschuke in Betracht.
Silikonkautschuke können vorteilhafterweise in gießbarer Konsistenz verarbeitet werden, so daß für viele Anwen¬ dungsbereiche eine beliebige Formgebung kostengünstig herstellbar ist. Auch andere kostengünstige Herstellungs¬ verfahren, wie beispielsweise Spritzen, sind vorteilhaft möglich, da zunächst der dünnflüssige, härtbare Silikon¬ kautschuk verarbeitet werden und anschließend die Vulka¬ nisierung unter Bildung eines gehärteten, festen Matrix¬ materials erfolgen kann. In der Mehrzahl der Anwendungs- fälle ist es vorteilhaft, wenn die Härte Shore A des ge¬ härteten Matrixmaterials nach DIN 53505 zwischen 20 und 90 beträgt, da in diesem Bereich das Matrixmaterial eine vorteilhafte Eigenfestigkeit aufweist.
Nach einem bevorzugten Merkmal sind die reflektierenden Partikel in pulverisierter Form in dem Matrixmaterial enthalten. In den meisten Anwendungsfällen sollten die reflektierenden Partikel in homogener Verteilung in dem Matrixmaterial eingebettet sein. In besonderen Anwen¬ dungsfällen kann es aber auch vorteihaft sein, wenn die Konzentration der reflektierenden Partikel in dem Matrix¬ material mit der Tiefe zunimmt oder abnimmt.
Als diffus reflektierende Partikel sind im Rahmen der Er¬ findung prinzipiell alle bekannten diffus reflektierenden Substanzen geeignet. Solche diffus reflektierenden Sub¬ stanzen sind beispielsweise Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, Titandioxid, Polytetrafluorethylen (Teflon (R) ) oder Si¬ liziumdioxid (Aerosil (R) ) . Als besonders vorteilhaft hat sich im Rahmen der Erfindung Bariumsulphat erwiesen.
Die diffus reflektierenden Partikel umfassen im wesentli¬ chen eine oder mehrere der genannten Substanzen. Im we¬ sentlichen bedeutet dabei, daß andere Partikel nicht oder nur in einem solchen Umfang in dem Material enthalten sind, daß in dem jeweiligen Anwendungsfall die diffusen Reflexionseigenschaften den gestellten Anforderungen ent¬ sprechen und die Reflexionseigenschaften durch die Parti¬ kel bestimmt werden. Im Regelfall werden die Partikel als Reinsubstanz mit einem hohen, technisch kommerziell her¬ stellbaren Reinheitsgrad, in dem Matrixmaterial enthalten sein, beispielsweise mit einem Reinheitsgrad über 99 %. Insbesondere in der optischen Meßtechnik kann ein sehr hoher Reinheitsgrad ebenso wie eine homogene Verteilung vorteilhaft sein. Die Partikel jeweils einer Substanz können eine Korngröße aufweisen oder zur Erzielung beson¬ derer Spektraleigenschaften aus einer Mischung verschie¬ dener Korngrößen bestehen.
Die reflektierenden Partikel in dem erfindungsgemäßen Ma¬ terial können aus nur einer der genannten Substanzen oder aus einer Mischung von zwei oder mehr unterschiedlichen Substanzen bestehen. Aus fertigungstechnischen Gründen ist die Beimengung von Partikel von nur einer Substanz bevorzugt. In besonderen Anwendungsfällen, insbesondere zur Erzielung eines spezifischen Spektralverhaltens kann es aber auch vorteilhaft sein, eine Mischung unterschied¬ licher Substanzen und/oder eine Mischung verschiedener Korngrößen zu verwenden.
Die Korngröße der vorgenannten Partikel liegt vorteilhaf¬ terweise im wesentlichen zwischen 1 μm und 100 μm, bei Siliziumdioxid (Aerosil (R) ) zwischen 10 nm und 200 nm. Im wesentlichen bedeutet dabei, daß der Mittelwert der Korngrößenverteilung in diesem Bereich liegt. Da die Korngröße von Partikeln oder von Pulver herstellungsbe¬ dingt einen gewissen Toleranz- und Korngrößenbereich oder eine Korngrößenverteilung umfaßt, können in geringem Um¬ fang, beispielsweise bis zu 5 % auch Partikel vorhanden sein, die außerhalb des genannten Größenbereichs liegen.
Die Halbwertsbreite der jeweiligen Partikelgrößenvertei¬ lung kann in manchen Anwendungsfällen kritisch sein, in anderen Anwendungsfällen dagegen eher unbedeutend. Durch experimentelle Untersuchungen kann im Einzelfall ermit¬ telt werden, welche Partikelgröße und Partikelgrößenver¬ teilung die jeweils gewünschten Reflexionseigenschaften liefert .
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Materials bestehen darin, daß es sehr vielseitig anwendbar und für den je¬ weiligen Anwendungsfall unproblematisch sowohl mechanisch als auch optisch angepaßt herstellbar ist. Es kann in na¬ hezu beliebiger Form selbstragend ausgebildet oder stabil auf ein Trägermaterial aufgebracht werden, wobei Uneben¬ heiten des Trägermaterials ausgleichbar und überdeckbar sind. Es ist optisch, thermisch und biologisch beständig und temperaturunempfindlich. Es ist gut zu reinigen und absorbiert nur wenig Licht. Die jeweiligen Eigenschaften können für spezifische Anwendungserfordernisse optimiert werden. Es erfordert zudem kein kompliziertes Herstel¬ lungsverfahren und ist somit kostengünstig herstellbar. Die Härte ist in einem großen Bereich einstellbar, so daß viele verschiedene Anwendungsformen möglich sind. Bei¬ spielsweise können flexible Matten mit einer ausreichen¬ den Stabilität erzeugt werden, beispielsweise durch Auf¬ bringung eines Abformmaterials auf eine Form, die nahezu beliebigerweise gekrümmt und gewölbt sein kann. Das Mate¬ rial läßt sich problemlos verarbeiten und mechanisch be¬ arbeiten, kann fest oder flexibel sein und auch geklebt werden. Die Herstellung von Formkörpern kann auch durch Gießen oder Spritzen erfolgen. Das Material hat keine Ei¬ genfärbung, so daß sich kein ungünstiger Einfluß auf das Spektrum ergibt. Die dem auftreffenden Licht zugewandte Oberfläche des reflektierenden Materials muß nicht, wie dies bei bekannten Materialien erforderlich ist, matt sein, also nicht zur Erzielung eines guten diffusen Re¬ flexionsverhaltens eine "molekulare Rauhigkeit" aufwei¬ sen. Aus diesem Grunde ist auch die Formgebung durch Ab¬ formen an glatten Oberflächen von Formen möglich.
Das erfindungsgemäße Material wird vorteilhafterweise in der Weise hergestellt, daß die Partikel unter einem Va¬ kuum in flüssiges Matrixmaterial eingerührt werden. Auf diese Weise können blasenfreie Vulkanisate erzeugt wer¬ den.
Die folgenden Ausführungsbeispiele der Erfindung lassen weitere vorteilhafte Merkmale und Besonderheiten erken¬ nen, die anhand der schematischen Darstellungen in den Zeichnungen im folgenden näher beschrieben und erläutert werden.
Es zeigen: Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Trockner nach dem Stand der Technik im Be¬ triebszustand,
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch einen
Trockner nach dem Stand der Technik im Still¬ stand,
Fig . 3 eine Abwandlung zu Figur 1,
Fig . 4 eine Abwandlung zu Figur 2,
Fig . 5 einen schematischen Querschnitt durch einen ersten erfindungsgemäßen Trockner,
Fig . 6 eine erste Abwandlung zu Figur 5,
Fig . 7 eine zweite Abwandlung zu Figur 5,
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht zu Figur 5,
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht zu Figur 6,
Fig. 10 eine perspektivische Ansicht zu Figur 7,
Fig. 11 eine Abwandlung zu Figur 8,
Fig. 12 eine Abwandlung zu Figur 9,
Fig. 13 eine Abwandlung zu Figur 10,
Fig. 14 eine schematische Aufsicht auf mehrere Lampen,
Fig. 15 eine Abwandlung zu Figur 14,
Fig. 16 einen schematischen Querschnitt durch einen Trockner und eine Druckmaschine,
Fig. 17 einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Trockner,
Fig. 18 eine Einzelheit zur Fig. 17,
Fig. 19 einen relativen spektralen Strahlungsfluß einer Quecksilberdampf-Hochdrucklampe,
Fig. 20 einen relativen spektralen Strahlungsfluß einer Quecksilberdampf-Niederdruck-Gasentladungslampe und
Fig. 21 einen spektralen Strahlungsfluß einer UV-B- Niederdruck-Gasentladungslampe.
In Figur 1 ist ein schematischer Querschnitt durch einen Trockner 20 nach dem Stand der Technik dargestellt, und zwar im Betriebszustand, d.h. während des Härtens von daran vorbeigeführtem Bedruckstoff 9, der mit einer UV- härtenden Druckfarbe 14 bedruckt ist. Eine UV-Strahlungs- quelle 8, bei der es sich um eine Mitteldruck-Gasent¬ ladungslampe handelt, erzeugt UV-Licht, das die Polymeri¬ sation der Druckfarbe 14 auslöst. Der Bedruckstoff 9 wird in der Transportrichtung 10 an der UV-Strahlungsquelle 8 vorbeigeführt. Zur Erhöhung der Lichtausbeute und zur Vergleichmäßigung der Beleuchtungsstärke auf der Druck¬ farbe 14 sind Schwenkreflektoren 21 vorgesehen. Sie sind jeweils mittels einer Drehvorrichtung 11 von dem in der Figur 1 dargestellten Betriebszustand in die in der Figur 2 dargestellten Position bei Stillstand schwenkbar. Das Schwenken der Reflektoren 21 ist erforderlich, da die Mitteldrucklampe eine sehr hohe Oberflächentemperatur aufweist und der Bedruckstoff 9 verbrennen würde, wenn er sich nicht relativ zu der Lampe 8 bewegt.
Aufgrund der hohen Wärmebelastung, die von der Mittel¬ drucklampe ausgeht, ist zum Schutz des Bedruckstoffs 9 und der Druckfarbe 14 ein Wärmeschutzglas 22 zwischen der UV-Strahlungsquelle 8 und dem Bedruckstoff 9, vorgesehen. In den Figuren 3 und 4 sind Abwandlungen zu den Figuren 1 und 2 dargestellt, die sich dadurch unterscheiden, daß anstelle des Wärmeschutzglases 22 wasserdurchflossene Kühlrohre 35 zur Abfuhr der Verlustwärme vorgesehen sind.
Die Figur 5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Trockner 20. Bei diesem sind die UV-Strahlungsquellen 8, an denen der mit Druckfarbe 14 bedruckte Bedruckstoff 9 in der Transportrichtung 10 zum Härten der Druckfarbe 14 vorbeigeführt wird, mehrere ne¬ beneinander angeordnete Niederdruck-Gasentladungslampen 7. Als Niederdruck-Gasentladungslampen haben sich insbe¬ sondere die UV-C-Strahler vom Typ TUV von Philips mit einer Hauptemission bei 254 nm und die UV-B-Strahler vom Typ TL/01 mit einer Hauptemission bei 311 bis 312 nm bzw. vom Typ TL/12 mit einer Hauptemission bei 306 nm als vor¬ teilhaft erwiesen. Sie weisen einen hohen Wirkungsgrad für UV-Licht auf, und sind praktisch ohne Ozonerzeugung betreibbar. Wegen der geringen Wärmeentwicklung der Niederdruck-Gasentladungslampen kann der Reflektor 5 feststehend sein, und zwar in einem kurzen Abstand zu den Lampen. Der Abstand zwischen Reflektor 5 und UV-Strah¬ lungsquelle 8 kann kleiner als der doppelte, bevorzugt kleiner als der einfache Durchmesser des Kolbens 16 der UV-Strahlungsquelle 8 sein.
Der Reflektor 5 umfaßt in dem dargestellten Beispiel je¬ weils drei plane Reflektoren 5, und zwar einen großen, auf der von dem Bedruckstoff 9 abgewandten Seite der Lam¬ pen 8 angeordneten Reflektor 5a, sowie zwei seitlich an¬ geordnete, kleinere Reflektoren 5b. Die Reflektoren um¬ fassen eine Reflexionsschicht aus einem reflektierenden Material 1. Das reflektierende Material 1 kann in her¬ kömmlicher Weise ausgebildet sein, beispielsweise als Ke¬ ramikplatte oder als Metallreflektor. Der Metallreflektor kann eine aufgerauhte, metallische, reflektierende Ober¬ fläche aufweisen und beispielsweise aus Aluminium beste¬ hen.
Bevorzugt besteht die Reflexionsschicht des Reflektors 5 aus einem erfindungsgemäßen, optisch diffus reflektieren¬ den Material mit einem Matrixmaterial aus härtbarem Sili¬ konkautschuk und darin in homogener Verteilung eingebet¬ teten Partikeln.
Die Partikel bestehen aus pulverisiertem Bariumsulphat, das eine Korngröße von etwa 50 μm aufweist. Die Partikel sind aufgrund ihrer Kleinheit in der Figur 5 nicht sieht- bar. Das Gewichtsverhältnis der Partikel zu dem Matrixma¬ terial beträgt etwa 1:10. Wenn das Verhältnis kleiner als 1:100 ist, ist die Reflexion in der Regel zu gering. Bei Gewichtsverhältnissen oberhalb von 1:1 wird der Füllgrad des Matrixmaterials durch die Partikel im allgemeinen so hoch sein, daß das Silikon brüchig wird oder nicht mehr fehlerfrei vulkanisiert.
Der Reflexionsgrad des Reflektors 5 liegt über 90 %. Die Stärke der reflektierenden Schicht, also des Materials 1 beträgt einige Millimeter. Sie kann vorteilhafterweise im Bereich zwischen 0,1 und 10 mm liegen. Der Reflektor 5 kann somit ein sogenannter Volumenreflektor sein, der sich von einem reinen Oberflächenreflektor dadurch unter¬ scheidet, daß die Reflexion auch in tieferen Material- schichten erfolgt.
Das reflektierende Material 1 bzw. die Reflektorbleche sind auf eine Trägerplatte 6 oder einem Teil des Gehäuses 27 aufgebracht. Das Matrixmaterial 2 bzw. das reflektie¬ rende Material 1 kann als kondensationsvernetzender Sili¬ konkautschuk unmittelbar mit dem Untergrund verbunden sein. Es kann beispielsweise durch eine Spritztechnik auf die Trägerplatte 6 aufgetragen werden. Wenn das Matrixma¬ terial ein additionsvernetzender Kautschuk ist, kann es durch eine geeignete Verbindungstechnik, beispielsweise mittels Kleben, mit dem Untergrund verbunden sein.
Als Silikonkautschuke haben sich besonders die von der Firma Wacker-Chemie GmbH, München, unter der Typbezeich¬ nung "Elastosil (R) " vertriebenen, insbesondere die Typen M 4600, R 401, R 402, R 411, R 420, R 4000 und R 4105, sowie die Typen Semicosil, insbesondere die Typen 911, 912, sowie die Typen RTV-E 604, RTV-ME 601 und SilGel 612 als vorteilhaft erwiesen. Die Figur 6 zeigt einen abgewandelten Reflektor 5. Die Reflexionsschicht aus reflektierendem Material 1 besteht aus einem erfindungsgemäßen Matrixmaterial aus Silikon¬ kautschuk mit diffus reflektierenden Partikeln. Sie ist an einer Trägerplatte 6 oder an einem Gehäuseteil 27 be¬ festigt. Die Reflexionsschicht weist die Besonderheit auf, daß ihre den UV-Strahlungsquellen 8 zugewandte Ober¬ fläche in Bezug auf die Strahlungsquellen konkav ge¬ krümmte Teilbereiche aufweist. Diese sind mit einem ge¬ ringen Abstand, der weniger als die Hälfte des Durchmes¬ sers des Kolbens 16 der UV-Strahlungsquelle 8 betragen kann, zu der Oberfläche des Kolbens 16 der jeweiligen UV- Strahlungsquelle 8 angeordnet. Dabei kann der Mittelpunkt der jeweiligen Krümmung des Reflektors 5 im Inneren der zugeordneten Niederdruck-Gasentladungslampe liegen, ins¬ besondere in deren Zentrum. Auf diese Weise wird eine sehr kompakte Bauweise bei gleichzeitig gleichmäßiger Ausleuchtung des Bedruckstoffs 9 erzielt. In manchen Aus¬ bildungen kann es auch vorteilhaft sein, wenn die Reflexionsschicht aus diffus reflektierendem Material 1 unmittelbar an dem Kolben 16 der UV-Strahlungsquellen 8 anliegt, was insbesondere bei Quecksilberdampf-Nieder¬ druck-Gasentladungslampen möglich ist.
In Figur 7 ist ein schematischer Querschnitt durch einen Trockner 20 dargestellt, der sich von den Trocknern gemäß Figuren 5 und 6 dadurch unterscheidet, daß der Reflektor 5 aus einem oder mehreren Reflektorblechen besteht, die nicht plan, sondern in Bezug auf die UV-Strahlungsquellen 8 konkav gekrümmt sind. Auch dieser Reflektor 5 kann we¬ gen der geringen Wärmeerzeugung der erfindungsgemäß ver¬ wendeten Niederdruck-Gasentladungslampen feststehend und in einem kurzen Abstand zu den Lampen angeordnet sein. Die Figuren 8 bis 10 zeigen perspektivische .Ansichten, und zwar Figur 8 zu Figur 5, Figur 9 zu Figur 6 und Figur 10 zu Figur 7. In allen Figuren sind Konstruktionsele¬ mente wie elektrische Leitungen, Kühleinrichtungen und mechanische Halterungen der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
Die Figuren 11 bis 13 zeigen Abwandlungen zu den Figuren 8 bis 10, die sich in der Transportrichtung 10 des Be¬ druckstoffs 9 unterscheiden. Bei den Figuren 8 bis 10 wird der Bedruckstoff 9 senkrecht zu der axialen Richtung der UV-Strahlungsquellen 8 transportiert. Bei den Trock¬ nern 20 der Figuren 11 bis 13 erfolgt der Transport in axialer Richtung der UV-Strahlungsquellen 8. Prinzipiell kann die Transportrichtung 10 jeden beliebigen Winkel zu der Achse der Niederdruck-Gasentladungslampen bilden. Unter dem Gesichtspunkt der Optimierung der Nutzung des emittierten UV-Lichtes und zur Erzielung einer über den Bedruckstoff verteilt gleichmäßigen Belichtungszeit sind die dargestellten Transportrichtungen 10 bevorzugt.
Die Figuren 14 und 15 zeigen schematische Aufsichten auf mehrere UV-Strahlungsquellen 8, bei denen es sich um U- förmig ausgebildete Niederdruck-Gasentladungslampen 7 handelt. Die im dargestellten Beispielsfall insgesamt neun Lampen sind zur gleichmäßigen Ausleuchtung der Trocknungsfläche des Bedruckstoffs 9 mit ihren Längssei¬ ten nebeneinanderliegend angeordnet. Um eine möglichst kompakte Bauweise und eine hohe Beleuchtungsstärke zu er¬ zielen, sind die Lampen ferner wechselweise entgegenge¬ richtet angeordnet. Die elektrischen Anschlußelemente 13 bilden daher mit den geschlossenen Enden der U-förmigen Lampen auf beiden Seiten der Anordnung eine alternierende Folge, so daß zwischen den elektrischen Anschlußelementen 13 jeweils genügend Platz verbleibt und der Abstand der Lampen nicht durch die elektrischen Anschlußelemente 13 begrenzt wird. Die Figuren 14 und 15 unterscheiden sich in der Transportrichtung 10 des Bedruckstoffs 9, dessen mit zu härtender UV-Druckfarbe 14 versehene Trocknungs- flache an den Lampen vorbeigeführt wird. Die Reflektoren sind in den Figuren 14 und 15 nicht dargestellt.
Die Figur 16 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Trockner 20 und eine Druckmaschine. Er umfaßt in konventioneller Bauweise als UV-Strahlungsquelle 8 eine im UV-Bereich emittierende Hochdruck-Gasentladungslampe. In dem Gehäuse 27 befinden sich außer der Lampe noch Schwenkreflektoren 21, mittels denen das Licht auf den Bedruckstoff 9 gerichtet wird, und die bei Stillstand der Anlage zum Schutz des Bedruckstoffs 9 vor Überhitzung verschwenkt werden können. Da die bekannnten UV-Beleuch¬ tungsquellen 8 eine sehr hohe Wärmeentwicklung verur¬ sachen, ist ferner ein Wärmeschutzglas 22 vorgesehen. Erfindungsgemäß sollen daher als UV-Strahlungsquelle 8 eine oder mehrere Niederdruck-Gasentladungslampen ver¬ wendet werden. Der Schwenkreflektor 21 kann dann in der oben beschriebenen Weise als feststehender Reflektor ausgebildet werden und das Wärmeschutzglas 22 kann ent¬ fallen. Auf diese Weise kann der Trockner 20 kompakt ge¬ baut sein und den Bedruckstoff 9 gleichmäßig ausleuchten, wobei gleichzeitig die Wärmebelastung erheblich reduziert ist.
Die Bedruckstoffe 9 sind im dargestellten Beispielsfall Tuben oder Becher, die auf sich drehenden Tubendornen 26 eines Tubentellers 25 angeordnet sind. Mittels einer nicht dargestellten Rakelkammer bzw. Farbkammer wird dem die Rasterwalze 23 und die Klischeewalze 24 umfassenden Druckwerk die UV-härtbare Druckfarbe 14 zugeführt. Von der Klischeewalze 24 wird das Motiv auf die Tuben über- tragen, und der sich drehende Tubenteller 25 führt die Tuben durch die Härtungszone des Trockners 20, wo die Härtung mittels UV-Bestrahlung erfolgt. Nach dem Austritt aus der Härtungszone werden die Tuben von den Tubendornen 26 abgenommen und die Tubendorne 26 mit neuen, unbedruck¬ ten bestückt. Die Aufspann- und Abnahmevorrichtungen sind nicht dargestellt.
Um eine homogene Ausleuchtung des Bedruckstoffs 9 in der Härtungszone und eine hohe Lichtausbeute zu erzielen, ist diese mit erfindungsgemäßem, optisch diffus reflektieren¬ dem Material 1 umgeben. Das reflektierende Material 1 kann dabei an gesonderten Trägerplatten 6 oder an dem Ge¬ häuse 27 angebracht sein. Insbesondere mittels auf der von der Beleuchtungsquelle 8 abgewandten Seite des Be- druckstoffs 9 angeordneten Reflektoren 5 kann die Gleich¬ mäßigkeit der Ausleuchtung und die Lichtausbeute verbes¬ sert werden. Wenn die Wärmeentwicklung der Beleuchtungs- quelle 8 nicht zu hoch ist, können auch die Schwenkre¬ flektoren 21 mit erfindungsgemäßem Material 1 versehen sein, oder es kann ein auf der von dem Bedruckstoff 9 ab¬ gewandten Seite der Beleuchtungsquelle 8 angeordneter feststehender erfindungsgemäßer Reflektor vorgesehen sein.
Die Figur 17 zeigt den Trockner der Figur 16 in einer er¬ findungsgemäßen Ausführung mit Niederdruck-Gasentladungs¬ lampen 7. Die Bedruckstoffe 9 sind auch in diesem Fall auf sich drehenden Tubendornen 26 eines Tubentellers 25 angeordnete Tuben oder Becher. Sie werden mit einer Bahn¬ geschwindigkeit von ca. 50 m/min durch den Trockner 20 gefördert. Zusätzlich zu dieser Bahnbewegung drehen sich die Tubendorne 26. Der Trockner 20 umfaßt ein Gehäuse 27, in dem auf Trägerplatten 6 das reflektierende Material 1 zur Erzielung einer homogenen Ausleuchtung des Bedruck- Stoffs in der Härtungszone angeordnet ist. Der Reflektor 5 sorgt, in Verbindung mit den 12 Niederdruck-Gasentla¬ dungslampen 7, für eine homogene Ausleuchtung. Die Nie¬ derdruck-Gasentladungslampen 7 sind in einem engen Ab¬ stand zueinander angeordnet und der Bedruckstoff 9 wird in einem geringen Abstand an den Niederdruck-Gasentla¬ dungslampen 7 vorbeigeführt. Aufgrund der geringen Wärmeentwicklung der Niederdruck-Gasentladungslampen 7 ist keine aufwendige Kühlvorrichtung und kein Wärme- schutzglas erforderlich. Der Reflektor 5 ist feststehend ausgebildet und weist keine schwenkbaren Teile auf. Die Figur 18 zeigt ein Detail zu Figur 17.
Die Figuren 19, 20 und 21 zeigen typische relative spek¬ trale Strahlungsflüsse von Quecksilberdampflampen. Darge¬ stellt ist in Fig. 19 und 20 jeweils der spektrale Strah¬ lungsfluß E in willkürlichen Einheiten als Funktion der Wellenlänge w und in Fig. 21 in absoluten Einheiten als Funktion der Wellenlänge w. Die Figur 19 zeigt das Spek¬ trum eines Hochdruck- und die Figur 20 das eines UV-C-- Niederdruckstrahlers. Man erkennt, daß die UV-C-Nieder- druck-Gasentladungslampe überwiegend im UV-C-Bereich emittiert, wogegen der Hauptemissionsbereich der Hoch¬ drucklampe bei größeren Wellenlängen liegt.
Die UV-C-Niederdruck-Gasentladungslampe der Fig. 20 ist eine Niederdrucklampe ohne Zusatz von Leuchtstoffen, d.h. eine nichtaktinische Niederdrucklampe. In Fig. 21 ist das Spektrum einer UV-B-Niederdruck-Gasentladungslampe darge¬ stellt. Es handelt sich hierbei um eine Leuchtstofflampe, deren Hauptemissionsbereich durch Zusatz von Leuchtstof¬ fen in den Bereich bei 305 nm verschoben ist. Zusätzlich treten im UV-A- und sichtbaren Bereich Nebenintensitäten auf.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Härten einer UV-härtenden Druckfarbe
(14) auf einem Bedruckstoff (9) , bei dem die Druck¬ farbe (14) mit UV-Licht einer UV-Strahlungsquelle (8) bestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als UV-Strahlungsquelle (8) eine Niederdruck-Gasent¬ ladungslampe (7) verwendet wird, deren über den UV-B- und UV-C-Bereich integrierter spektraler Strahlungs¬ fluß mehr als 50%, bevorzugt mehr als 75% des UV- Strahlungsflusses beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Maximum der spektralen Strahlungsflußvertei¬ lung der Niederdruck-Gasentladungslampe (7) im UV-B- oder UV-C-Bereich liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der oberhalb einer Wellenlänge von 190 nm, insbesondere oberhalb von 240 nm integrierte spektrale UV-Strahlungsfluß, insbesondere der UV-C- Strahlungsfluß, der Niederdruck-Gasentladungslampe (7) mehr als 50%, bevorzugt mehr als 75 % ihres UV- Strahlungsflusses, insbesondere ihres UV-C-Strah- lungsflusses, beträgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierte UV-, ins- besondere die integrierte UV-B- und UV-C- oder insbe¬ sondere die UV-C-Bestrahlungsstärke zwischen 1 und 100 mW/cm2, bevorzugt zwischen 10 und 50 mW/cm2 be¬ trägt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfarbe (14) wäh¬ rend der UV-Härtung nicht über 40 °C erwärmt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfarbe (14) bei Raumtemperatur eine hohe Reaktivität aufweist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Bestrahlung zur Härtung der Druckfarbe (14) weniger als zwei Se¬ kunden, bevorzugt weniger als eine Sekunde beträgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfarbe (14) folgende Kom¬ ponenten enthält: a) Ein oder mehrere cycloaliphatische Epoxidharze als härtbares Bindemittel und b) ein oder mehrere Arylsulfoniumsalze als Photo¬ initiator.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente b) eine Mischung aus verschiedenen Arylsulfoniumsalzen enthält.
10. Vorrichtung zum Härten einer UV-härtenden Druckfarbe
(14) auf einem Bedruckstoff (9) , mittels der die Druckfarbe (14) mit UV-Licht einer UV-Strahlungsquel- le (8) bestrahlt wird, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die UV-Strahlungsquelle (8) eine Niederdruck-Gasent¬ ladungslampe (7) umfaßt, deren über den UV-B- und UV- C-Bereich integrierter spektraler Strahlungsfluß mehr als 50%, bevorzugt mehr als 75% des UV-Strahlungs- flusses beträgt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Maximum der spektralen Strahlungsflußvertei¬ lung der Niederdruck-Gasentladungslampe (7) im UV-B- oder UV-C-Bereich liegt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der oberhalb einer Wellenlänge von 190 nm, insbesondere oberhalb von 240 nm integrierte spektrale UV-Strahlungsfluß, insbesondere der UV-C- Strahlungsfluß, der Niederdruck-Gasentladungslampe (7) mehr als 50%, bevorzugt mehr als 75 % ihres UV- Strahlungsflusses, insbesondere ihres UV-C-Strah- lungsflusses, beträgt.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere, insbesondere mehr als vier und bevorzugt mehr als acht Nieder¬ druck-Gasentladungslampen (7) aufweist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie Niederdruck-Gasentladungslampen (7) mit sich unterscheidenden Emissionsspektren aufweist.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Lei- stungsaufnähme der Niederdruck-Gasentladungslampe (7) zwischen 0,2 und 2,5, bevorzugt zwischen 0,5 und 1,0 Watt pro Zentimeter ihrer Bogenlänge beträgt.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Homogenität der UV- Bestrahlungsstärke des Bedruckstoffs (9) , insbeson¬ dere der UV-B- und/oder UV-C-Bestrahlungsstärke, in dem für die Härtung der Druckfarbe (14) wirksamen Bereich so hoch ist, daß die Bestrahlungsstärke um weniger als 30%, bevorzugt um weniger als 20% von einem mittleren Wert abweicht.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere, nebeneinan¬ der angeordnete Niederdruck-Gasentladungslampen (7) aufweist, wobei der Abstand zwischen den Niederdruck- Gasentladungslampen (7) nicht mehr als 30%, bevorzugt nicht mehr als 20% größer als der Durchmesser der Kolben (16) der Niederdruck-Gasentladungslampen (7) ist.
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere U-förmig aus¬ gebildete Niederdruck-Gasentladungslampen (7) auf¬ weist, die mit parallel verlaufenden Längsseiten der U-Form nebeneinanderliegend angeordnet sind, wobei die Niederdruck-Gasentladungslampen (7) wechselweise entgegengerichtet angeordnet sind.
19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Niederdruck-Gasentladungslampe (7) und dem Bedruck¬ stoff (9) weniger als 5 cm und/oder mehr als 1 cm be¬ trägt.
20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederdruck-Gasentla¬ dungslampe (7) eine Quecksilberdampflampe oder ein Amalgamstrahler ist.
21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Reflektor (5) zum Reflektieren des von der Niederdruck-Gasentla¬ dungslampe (7) emittierten UV-Lichtes auf die zu här¬ tende Druckfarbe (14) aufweist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (5) feststehend ist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Reflektor (5) eine dielektrische Spiegelschicht und/oder eine Reflexionsschicht aus einem optisch diffus reflektierenden Material (1) aufweist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das optisch diffus reflektierende Material (1) eine Matrix aus einem transparenten, im wesentlichen aus einem härtbaren Silikonkautschuk bestehenden Ma¬ trixmaterial, in das diffus reflektierende Partikel eingebettet sind, aufweist.
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