UV-Metallfarbe

Quick answer: For practical formulation work, photoinitiator screening starts with the light source and film build, then checks yellowing, adhesion, and cure completeness under real production conditions.

3.12.1 Metallverpackungsdruck

Metallverpackungen als wichtiges Verpackungsmaterial im Verpackungsbereich haben viele Vorteile gegenüber anderen Verpackungsmaterialien, wie Wiederverwertbarkeit, guter Schutz des Inhalts, vielfältiges Aussehen und Formen sowie leuchtende Farben. Sie haben ein großes Entwicklungspotenzial und werden von den Verbrauchern anerkannt. Heutzutage hat der Trend zum Umweltschutz auch die Verpackungs- und Druckindustrie erfasst, und "grüne Verpackungen" sind zu einem heißen Thema in der Druckindustrie und einem der Entwicklungstrends in der Prozesstechnologie der Druckindustrie geworden. Der hohe Energieverbrauch der Druckindustrie für Metallverpackungen und die großen Abgasemissionen während des Produktionsprozesses sind zu wichtigen Faktoren geworden, die die Entwicklung und das Wachstum von Metallverpackungsunternehmen einschränken und die grüne Entwicklung von Metallverpackungen behindern.

In den letzten Jahren hat das UV-Druckverfahren aufgrund seiner offensichtlichen Vorteile bei der Energieeinsparung und dem Umweltschutz in der Metallverpackungsdruckindustrie an Beliebtheit gewonnen. In Verbindung mit seinen enormen Kostenvorteilen hat sich das Verfahren zu einem innovativen Weg der Energieeinsparung und des Umweltschutzes entwickelt und wird von den Metallverpackungsunternehmen zunehmend nachgefragt.

3.12.1.1 Traditionelles Weißblechdruckverfahren

Weißblech wird auf der Innen- und Außenseite beschichtet und ist dann bereit für den Farbdruck. Für den Druck von Weißblech wird im Allgemeinen der Offsetdruck verwendet. Weißblech hat eine glatte Oberfläche und ist nicht saugfähig, was einen großen Unterschied zu Papier darstellt. Daher werden für das Bedrucken von Weißblech hitzehärtende Farben verwendet, die bei hohen Temperaturen trocknen müssen. Mit anderen Worten, der Druckprozess erfordert den Einsatz einer speziellen Trocknungsvorrichtung, um die Farbe zu trocknen. Die Trocknungstemperatur beträgt in der Regel etwa 150 °C, und die Trocknungszeit wird auf 10 bis 12 Minuten eingestellt. Gegenwärtig werden in der heimischen Weißblechdruckindustrie hauptsächlich Tunnelöfen (im Folgenden als Trockenräume bezeichnet) zum Trocknen der Farbe verwendet. Der Trockenraum ist etwa 30 Meter lang und 6 Meter hoch und wird an das hintere Ende der Druckmaschine angeschlossen, um die Druckerzeugnisse zu trocknen. Beim traditionellen Weißblechdruckverfahren muss der bedruckte Bogen, unabhängig davon, wie viele Druckdurchgänge zur Fertigstellung eines Produkts erforderlich sind, nach jedem Druckdurchgang den Trockenofen durchlaufen, um die Farbe zu trocknen. Jedes gedruckte Produkt muss den Trockenofen mehrmals durchlaufen, was nicht nur viel Energie verbraucht, sondern auch eine Menge flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) freisetzt. Daher haben viele Unternehmen begonnen, andere Methoden in Betracht zu ziehen, um die herkömmliche Erwärmungs- und Aushärtungsmethode zu ersetzen, und die UV-Härtung hat sich aufgrund ihrer Vorteile - hohe Effizienz und Energieeinsparung - durchgesetzt.

3.12.1.2 UV-Weißblechdruckverfahren

Die Technologie der Anwendung von UV im Druckprozess besteht darin, UV-Tinte zu verwenden, die unter ultraviolettem Licht schnell aushärtet und hervorragende physikalische und chemische Eigenschaften sowie einen hohen Oberflächenglanz aufweist. Da die Tinte im UV-Druckverfahren unter ultraviolettem Licht schnell trocknen kann, ist nach der Einführung der UV-Technologie jede Druckeinheit mit einem UV-Trocknungsgerät ausgestattet, das für die sofortige Trocknung jeder Farbe verantwortlich ist. Der Tunnelofen, der Teil der traditionellen Ausrüstung ist, wird nicht mehr benötigt. Im Vergleich zum herkömmlichen Druckverfahren bietet das UV-Druckverfahren folgende Vorteile: schnelle Aushärtungsgeschwindigkeit, kurze Aushärtungszeit, keine Notwendigkeit eines Ofens, was nicht nur die Produktionseffizienz verbessert und Energie spart, sondern auch die VOC-Emissionen reduziert und die Umwelt schont.

3.12.2 Herstellung von UV-Metalldruckfarben

UV metal inks are light-curing inks that can be directly printed on the surface of metal materials (including metal substrates with surface treatments and metal materials with surface finishes), and formulators often compare Cationic Photoinitiator CAT-261 with Fotoinitiator OXE-02 when optimizing cure window and adhesion. Commonly used metal materials in printing include copper, aluminum, iron, stainless steel, and mirror-finished titanium plates, as well as metal materials with a surface treatment such as anodized porous aluminum plates, iron phosphating plates, galvanized iron sheets, nickel-plated iron, and chromium-plated iron, and metal materials with a surface finish such as metal sheets coated with powder paint or baked enamel.

Verschiedene Metalle haben unterschiedliche Oberflächeneigenschaften, und auch die Art der verwendeten UV-Farbe sollte unterschiedlich sein, da es sonst zu Problemen wie schlechter Haftung und spröden Rissen in der Farbschicht kommen kann, wenn sich das Metall biegt.

UV-Metallfarben werden in folgende Typen unterteilt: allgemeine UV-Metallfarben, spezielle UV-Metallfarben, elastische UV-Metallfarben, hochtemperaturbeständige UV-Metallfarben, UV-Metallfarben mit besonderen dekorativen Effekten, UV-Korrosionsschutzfarben für die Metallätzung und UV-Metalllackserien.

Jede UV-Metallic-Farbe hat eine optimale Druckfarbenfolge. Die Lichthärtungsgeschwindigkeit von UV-Farben verschiedener Farben ist unterschiedlich, wobei einige langsam und andere schnell aushärten. Es ist nicht möglich, jede Farbe zuerst zu drucken, wie es bei selbsttrocknenden Lösemittelfarben möglich ist. Beim Siebdruck mit UV-Metallic-Farben, insbesondere beim Mehrfarbendruck, gilt im Allgemeinen der Grundsatz, dass dunkle Farben zuerst und helle Farben zuletzt gedruckt werden.

UV-Metallic-Farben verschiedener Farben haben eine optimale Aushärtungsreihenfolge. Die Aushärtungsreihenfolge von UV-Metallic-Farben ist:

Gold, Silber → Schwarz → Blau → Rot → Gelb → Farbloser Klarlack

Dunkle Druckfarben benötigen mehr UV-Energie, trocknen langsamer, und das UV-Licht durchdringt die Druckfarbenschicht nicht so leicht, was die Aushärtung der darunter liegenden Schicht erschwert. Daher müssen dunkle Druckfarben zuerst gedruckt werden; helle Druckfarben härten leicht aus und benötigen nur eine Belichtung. Wenn helle Farben zuerst gedruckt werden, wird die helle Farbe unweigerlich überhärtet, die Farbschicht wird spröde und die Haftung ist schlecht, während die dunkle Farbschicht nicht ausreichend gehärtet wird, die Oberflächenhärte gering ist und die Verschleißfestigkeit und Lösungsmittelbeständigkeit schlecht ist. UV-Metallic-Farben können sofort nach dem Druck ausgehärtet werden, und die Farbschicht wird einmal nach dem Druck jeder Farbe ausgehärtet. Wenn die zweite Farbe ausgehärtet wird, ist die erste Farbe bereits zweimal dem Licht ausgesetzt worden. Bei einem vierfarbigen Muster wurde die darunter liegende Farbe bereits viermal dem Licht ausgesetzt und gehärtet, wenn die vierte Farbe ausgehärtet wird.

Frische Metalloberflächen haben eine hohe freie Oberflächenenergie (500 bis 5000 mN/m), die viel höher ist als die von organischen Polymermaterialien (<100 mN/m). Diese hohe freie Oberflächenenergie ist sehr vorteilhaft für die Tintenhaftung. Viele Metalle neigen nämlich dazu, an der Luft zu oxidieren und einen Oxidfilm auf der Oberfläche zu bilden, der die freie Oberflächenenergie verringert und die Haftung der Tinte beeinträchtigt. Die freie Oberflächenenergie der meisten Metalloxidfilme ist jedoch immer noch höher als die von UV-Farben, so dass UV-Farben eine gute Benetzungswirkung auf Metallsubstraten haben. Ein häufiges Problem bei UV-Farben, die auf Metallsubstrate aufgetragen werden, ist jedoch, dass die Haftung der Farbe auf dem Metall nicht gut ist. Ohne den Zusatz eines haftungsfördernden Additivs ist es für UV-Farben schwierig, eine ideale Haftung auf Metall zu erreichen. Das kann daran liegen, dass die Oberfläche des Metallsubstrats dicht ist und UV-Farben nur schwer eindringen und absorbieren können. Die effektive Kontaktfläche ist klein, anders als bei Papier und Holz, die raue Oberflächen mit Poren haben, und bei Kunststoffen, die durch Öl aufgequollen werden können und eine durchlässige Verankerungsstruktur bilden. Da UV-Farben außerdem schnell aushärten, können die durch die Volumenschrumpfung verursachten inneren Spannungen nicht abgebaut werden, und die Reaktion wirkt sich auf die Haftung der Farbschicht auf dem Metalluntergrund aus, wodurch die Haftung verringert wird. Metalloberflächen sind oft leicht mit Fett verunreinigt, was ebenfalls nicht förderlich für die Lackhaftung und den Korrosionsschutz des Metalls ist.

Um eine gute Haftung, einen Korrosionsschutz und eine saubere Oberfläche auf Metalloberflächen zu erreichen, werden vor dem Bedrucken mit Tinte in der Regel eine Reinigung, eine physikalische Behandlung und eine chemische Behandlung durchgeführt. Die einfachste Art der Reinigung ist das Abwischen der Metalloberfläche mit einem in Lösungsmittel getränkten Baumwolltuch oder das direkte Eintauchen der Metallteile in das Lösungsmittel zum Waschen. Eine effektivere Methode ist die Dampfentfettung, bei der die Metallteile auf einem Förderband aufgehängt und über ein kochendes halogeniertes Lösungsmittel in einem Tank transportiert werden, so dass das Lösungsmittel auf der Oberfläche der Metallteile kondensiert und das Fett auflöst, wodurch der Zweck der Reinigung erreicht wird. Bei der physikalischen Behandlung, wie z. B. dem Sandstrahlen der Metalloberfläche, wird die korrodierte Oberfläche entfernt und eine neue raue Oberfläche gebildet. Dies wird vor allem für einige grobe Industrieteile wie Brücken, Tanks usw. verwendet. Darüber hinaus werden zur Oberflächenreinigung auch Vakuum-Aluminiumoxid-Strahlen, Stahlkorn oder wasserlösliche Klebstoffreinigung, Kunststoffpellet-Strahlen und manchmal Hochdruck-Wasserstrahlen eingesetzt. Bei der chemischen Behandlung wird die Metalloberfläche in der Regel mit Phosphorsäure oder Phosphat sanft angeätzt, wobei sich eine Schicht aus Eisen-/Eisenphosphatsalzen einer bestimmten Form bildet, um die Haftung der Beschichtung zu verbessern, wobei die Korrosionsbeständigkeit jedoch nur geringfügig verbessert wird. Die behandelte Metalloberfläche muss gründlich gereinigt werden, um lösliche Salze zu entfernen. Aluminiumoberflächen sind mit einer dünnen, dichten Schicht aus Aluminiumoxid bedeckt, so dass im Allgemeinen nur die Oberfläche gereinigt werden muss.

Das Kernproblem bei UV-Metalldruckfarben besteht auch darin, die Haftung zwischen der Druckfarbenschicht und dem Metall zu lösen. Oligomere und reaktive Verdünnungsmittel in der Tintenformulierung können Wasserstoffbrücken oder chemische Bindungen mit der Metalloberfläche bilden, was die Haftung zwischen der Beschichtung und dem Metall erheblich verbessern kann. Im Allgemeinen haben Oligomere und reaktive Verdünnungsmittel, die Carboxylgruppen und Hydroxylgruppen enthalten, insbesondere solche, die Carboxylgruppen enthalten, eine stärkere Wirkung auf Metallsubstrate und tragen wesentlich zur Verbesserung der Haftung bei (Tabelle 3-48). Gleichzeitig trägt auch die Verwendung von Oligomeren und Reaktivverdünnern mit geringer Volumenschrumpfung zur Verbesserung der Haftung bei. Einige Reaktivverdünner weisen eine gewisse Permeabilität für Metalle auf, was ebenfalls zur Verbesserung der Haftung beiträgt (siehe Tabelle 3-49).

Tabelle 3-48 Einfluss von carboxylhaltigen Monomeren auf die Haftung von UV-Farben auf Metall

Tabelle 3-49: Reaktivverdünner, die auf Metallsubstraten leicht durchlässig sind

Der Zusatz von Haftvermittlern ist ein wichtiges Mittel zur Verbesserung der Haftung von UV-Metalldruckfarben. Häufig verwendet werden Harze mit Carboxylgruppen, Acrylate mit Carboxylgruppen, Acrylatphosphate, Siloxan-Haftvermittler, Titanat-Haftvermittler usw. Mercaptane können nicht verwendet werden, da sie zu stark riechen, aber sie haben eine starke Wirkung auf Goldoberflächen, die extrem inert sind. Geeignete Metallhaftvermittler für UV-Metalldruckfarben siehe Tabelle 3-50. Saure Monomere oder Harze enthalten saure Gruppen, die Metalloberflächen leicht angreifen und Komplexe mit Metallatomen oder -ionen auf der Oberfläche bilden können, wodurch die Haftung zwischen der Farbschicht und der Metalloberfläche verstärkt wird. Im Allgemeinen ist die Menge an Phosphatester-Haftvermittlern in der Rezeptur gering und beträgt nicht mehr als 1%. Silikonhaftvermittler fördern die Haftung auf Metallsubstraten, weil sie nach der Hydrolyse mit den Oxiden oder Hydroxylgruppen auf der Metalloberfläche kondensieren können, um eine chemische Grenzflächenbindung zu bilden und die Haftung zu verbessern. Geeignete Silikonhaftvermittler sind KH550, KH560, KH570 und einige silikonmodifizierte UV-Harze. Titanat-Haftvermittler werden in UV-Metalldruckfarben verwendet, um die Haftung auf Metallsubstraten zu verbessern. Zu den geeigneten Titanat-Haftvermittlern gehören Tetraisooctyltitanat, Tetraisopropyltitanat und n-Butyltitanat.

Tabelle 3-50 Haftvermittler für UV-Metalldruckfarben

Im Vergleich zu radikalischen Photopolymerisationssystemen ist es bei kationischen Photopolymerisationsfarben wahrscheinlicher, dass sie eine gute Haftung auf Metall erreichen. Die kationische Härtung hat eine geringe Schrumpfung und eine große Anzahl von Etherbindungen, die nach der Polymerisation gebildet werden und auf die Metalloberfläche einwirken können, was die Haftung verbessern kann. Die superstarke Protonensäure, die bei der Photolyse kationischer Photoinitiatoren entsteht, löst jedoch nicht nur die kationische Polymerisation und die Vernetzung aus, sondern korrodiert auch das Metallsubstrat, was für die Haftung der Beschichtung offensichtlich schädlich ist und nicht zu einer besseren Haftung beiträgt. Nur durch eine Verringerung der Konzentration des kationischen Photoinitiators kann die Haftung verbessert werden. Darüber hinaus haben die üblicherweise verwendeten kationischen Photoinitiatoren wie Thioharnstoffsalze oder Iodidsalze eine Ultraviolettabsorption <300 nm, was mit UV-Lichtquellen nicht kompatibel ist. Ihre Photoinitiationseffizienz ist extrem niedrig. Es muss eine kleine Menge eines radikalischen Photoinitiators wie ITX hinzugefügt werden, der Lichtenergie im langwelligen Bereich des violetten Spektrums absorbieren und Energie auf das Thioharnstoffsalz übertragen kann, wodurch der Photoinitiator indirekt angeregt und die Photoinitiationseffizienz verbessert wird.

Da das Bindemittel von UV-Druckfarben aus ungesättigten Acrylmonomeren oder Präpolymeren besteht, hat es andere Löslichkeitseigenschaften als das Bindemittel herkömmlicher heißhärtender Druckfarben (hauptsächlich Alkydharze). Ungesättigte Acrylmonomere sind sehr aggressiv und führen dazu, dass sich der synthetische Kautschuk in den Walzen und Gummitüchern ausdehnt und die lichtempfindliche Schicht auf der Oberfläche der PS-Druckplatte beschädigt, so dass sich das Bild ablöst. Beim Druck mit UV-Druckfarben müssen daher Walzen, Gummitücher und Waschwasser verwendet werden, die speziell für UV-Druckfarben ausgelegt sind. Die PS-Platte muss bei hoher Temperatur eingebrannt werden, um die Korrosionsbeständigkeit der Bildschicht zu erhöhen.

3.12.3 UV-Metall-Ätzfarbe

Die Metallätzung ist ein technisches Verfahren, bei dem eine glänzende Metalloberfläche durch chemische Behandlung (chemisches Ätzen, chemisches Schleifen) oder mechanische Behandlung (mechanisches Sandstrahlen, Prägen usw.) in eine konkave und konvexe raue Kristalloberfläche verwandelt wird. Die Lichtstreuung erzeugt einen besonderen visuellen Effekt und verleiht dem Produkt einen einzigartigen künstlerischen Stil. Das chemische Ätzen ist ein präzises und wissenschaftliches chemisches Verfahren, das bei einer Vielzahl von Metallwerkstoffen weit verbreitet ist. Der Schlüssel zum Ätzen von Metallwerkstoffen ist zweierlei: der Teil, der geätzt werden muss, muss geschützt werden, und der Teil, der nicht geätzt werden muss, muss vollständig weggeätzt werden, um das gewünschte Bild zu erhalten.

Sie wird nach der Art der chemischen Reaktion während des Ätzens klassifiziert:

① Chemisches Ätzen. Verfahren: Vorätzen → Ätzen → Spülen → Säuretauchen → Spülen → Abbeizen → Spülen → Trocknen.

② Elektrolytisches Ätzen. Prozess: Laden → Einschalten → Ätzen → Spülen → Säuretauchen → Spülen → Abbeizen → Spülen → Trocknen.

Das chemische Ätzen kann je nach Art des zu ätzenden Materials wie folgt klassifiziert werden:

① Ätzen von Kupfer. Der Prozess: Reinigen der Oberfläche der polierten oder gebürsteten Kupferplatte → Siebdruck UV-beständiger Resistfarbe → UV-Härtung → Ätzen → Spülen → Entfernen der siebgedruckten Resistfarbenschicht → Spülen → Nachbehandlung → Trocknen → fertiges Produkt.

Bei diesem Verfahren wird das Bild mit UV-beständiger Farbe direkt im Siebdruckverfahren aufgebracht, um das gewünschte Teil vor Korrosion zu schützen. Der unbedruckte Teil wird beim Ätzen weggeätzt. Daher muss die verwendete UV-beständige Farbe eine starke Haftung auf dem Metall, Säure- (oder Laugen-) Beständigkeit und Galvanikbeständigkeit aufweisen.

② Ätzen von Edelstahl. Verfahren: Reinigen der Plattenoberfläche → Siebdrucken von flüssiger Fotolackfarbe → Trocknen → Belichten mit einem Film → Entwickeln → Waschen → Trocknen → Prüfen und Ausbessern der Platte → Aushärten des Films → Ätzen → Entfernen der Schutzschicht → Waschen → Nachbehandeln → Trocknen → Fertigprodukt.

Bei diesem Verfahren wird die Platte mit photopolymerisierbarer Resistfarbe beschichtet, belichtet, entwickelt, um ein Resistmuster zu bilden, und dann geätzt.

Durch Sprühen, Pinseln, Rollen oder Tauchen kann eine gleichmäßige Schicht fotolithografischer Resistfarbe auf die Metalloberfläche aufgetragen werden, um einen lichtempfindlichen Film zu bilden. Für flache Oberflächen von geringer Größe ist jedoch der Siebdruck die bequemste und zuverlässigste Methode. Fotolithografische Resistfarben müssen außerdem eine starke Haftung auf dem Metall aufweisen, säure- (oder laugen-) beständig sein und gegen Galvanisierung resistent sein.

Zur Herstellung von UV-beständigen und fotobebilderbaren Resisten siehe Kapitel 4 über Leiterplattentinten.

How formulators usually evaluate this photoinitiator topic

When technical buyers or formulators screen photoinitiators, the most useful decision frame is usually cure quality plus application fit: which package cures reliably, keeps appearance acceptable, and still works under the lamp, film thickness, and substrate conditions of the actual process.

• Match the package to the lamp first: mercury lamps, UV LEDs, and visible-light systems can rank the same photoinitiators very differently.
• Check depth cure and surface cure separately: a film that feels dry on top can still be weak underneath.
• Balance yellowing with reactivity: the strongest deep-cure route is not always the best commercial choice if color or migration risk becomes unacceptable.
• Use the final formula as the benchmark: pigment load, monomer package, and film thickness can all change the apparent ranking of the same initiator.

Recommended product references

• CHLUMINIT 261: A direct cationic-photoinitiator reference when cationic curing routes are being screened.
• CHLUMINIT TPO-L: A strong low-yellowing reference for LED-oriented UV systems.
• CHLUMINIT 819: Useful when a formulation needs stronger absorption and deeper cure support.
• CHLUMINIT 184: A classic free-radical benchmark for fast surface cure in many UV systems.

FAQ for buyers and formulators

Why are blended photoinitiator packages so common?
Because one product may control yellowing or lamp fit well while another improves cure depth or line-speed performance, so the full package is often stronger than any single grade.

Should incomplete cure always be solved by adding more initiator?
Not automatically. The real limitation may be the lamp, film thickness, pigment shading, or the rest of the reactive system rather than simple under-dosage.