Bei der lichtinduzierten Polymerisation werden Oligomere und Monomere durch aktivierte Photoinitiatoren zu einem festen Kettenverbund vernetzt. Die Photoinitiatoren zerfallen unter Einfluss von UV-Strahlung zu radikalen Verbindungen, die die CC-Doppelbindung eines Mono- oder Oligomers aufbrechen können. An dieses aufgebrochene Monomer, das nun ein radikales Ende besitzt, können weiter Monomere anknüpfen, sodass eine zunehmend komplette Vernetzung entsteht.

Dieser Polymerisationsprozess wird allerdings durch die Anwesenheit von Sauerstoff gestört, sodass kürzere Kettenstrukturen entstehen, die die chemischen und mechanischen Eigenschaften ungünstig beeinflussen. Eine schwach vernetzte Grenzschicht der Farben entsteht. Im Forschungsschwerpunkt UV-Polymerisation werden die Eigenschaften dieser Grenzschicht (umgangssprachlich auch „Schwitzschicht“ genannt) unter dem Einfluss verschiedener Belichtungsbedingungen untersucht. Nach der Belichtung werden die Farbproben mittels Konfokalmikroskopie bezüglich ihrer Topografie untersucht.

Der Polymerisationsgrad kann mittels ATR-IR-Spektroskopie gemessen werden. Die mechanischen Eigenschaften können durch ein Tack-Meter (Kraftaufzeichnung bei einem Stempeltest), Gitterschnittprüfung oder dem Peel-Analyzer (zeitlicher Kraftverlauf beim automatisierten Abziehen eines standardisierten Klebebandes) ermittelt werden. Dabei steht vor allem die Frage nach dem Einfluss, den der Wellenlängenbereich der UV-Strahlung (UVC oder UVA) auf den Polymerisationsgrad, der Elastizität und Haftfestigkeit hat, im Fokus. Ebenso ist die Untersuchung der Belichtung mit hochintensiver UVA-Strahlung (gerasterte Laserstrahlung und Hochleistungs-LEDs) von besonderem Interesse.

Dabei zeigte sich, dass die Schichtdicke mit reduzierten Polymerisationsgrad durch den Einsatz von UVC-Strahlung oder durch die Reduktion des Sauerstoffgehaltes (z.B. in einer mit Stickstoff gefluteten Belichtungskammer oder Bestrahlung durch UV-transparente Folien) vermieden werden kann. Hingegen konnte hochintensive UVA-Strahlung allein diese Schicht nicht vermeiden. Bei einer gerasterten Laserbelichtung konnte eine mikroskopische rasterförmige Topologie in die obere Farbschicht eingebracht werden, wodurch sich unter Verwendung der Lasermode verdeckte Mikroinformationen als Sicherheitsmerkmal in eine Farbschicht einbringen lassen. Zudem lässt sich mit dieser Methode ein Transmissionsgitter zur Erzeugung von Interferenzmustern erstellen.

Mehr Informationen: Alexander Mick-Schäfer, M.Sc.

Beim Einsatz strahlenhärtender Lack- und Farbsysteme beruht die „Trocknung“ der applizierten Flüssigpolymer-Schicht auf der UV-strahlunginduzierten Polymerisation der Lack- und Farbschichten. Diese bestehen grundlegend aus Monomeren, Oligomeren und Photoinitiatoren; letztere spalten sich unter UV-Bestrahlung und initiieren die Polymerisierung. Anwender sind bestrebt einen quantitativ hohen Polymerisationsgrad zu erzielen, um eine gute Weiterverarbeitung des Druckerzeugnisses zu erreichen und die Gefahr einer Gefährdung der VerbraucherInnen durch nicht-vernetzte Lack- und Farbkomponenten zu minimieren.

Die messtechnische Überwachung des Polymerisationsgrades ist eine aktuelle Fragestellung in der industriellen Anwendung dieser Technologie. Dieser Forschungsschwerpunkt untersucht die Möglichkeit, das sogenannte „Yellowing“ der Lackschichten als Messgröße für ihren Polymerisationsgrad heranzuziehen. Yellowing bezeichnet die vernetzungsinduzierte Gelbfärbung einer Lackschicht. Verantwortlich dafür sind hauptsächlich die bei der Photoinitiatorspaltung freigesetzten Beiprodukte, deren Absorption sich mit handelsüblichen Spektralphotometern im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums messen lässt.  

In einer Überblicksstudie mit einer Vielzahl marktverfügbarer UV-Lacke zeigten alle untersuchten Lacke ein deutlich messbares Yellowing. Für eine exemplarische Auswahl an Lacken konnte eine Korrelation zwischen Yellowing-Intensität und den mittels ATR-FT-Infrarotspektroskopie tatsächlich gemessenen Polymerisationsgraden festgestellt werden. Gemeinsam mit einem Industriepartner wurde dieser Ansatz im Rahmen eines BMWK-geförderten ZIM-Kooperationsprojektes (01/2018-05/2021) weiterentwickelt. Dabei wurde die Korrelation unter industriellen Produktionsbedingungen bestätigt und eine Methodik für den praxisgerechten Einsatz in industriellen Druck- und Beschichtungsprozessen entwickelt.

Teilergebnisse der Forschung wurden veröffentlicht:    

Stiene, T., Bohn, D., Enk, T., Wahl, F. and Urban, P. 2021. Yellowing of UV varnishes with focus on its temporal behaviour and correlations between intensities and degrees of polymerisation. Journal of Print and Media Technology Research 10(1), pp. 25–32. Link

Mehr Informationen: Tim Stiene, M.Sc.

Motivation des Schwerpunktes ist es, ein erweitertes Verständnis der Benetzungsvorgänge während der Trocknungsphase von niedrigviskosen Flüssigkeitsgemischen zu erzielen. Solche Gemische werden beispielsweise in Anwendungen des Funktionalen Druckens als Tinten eingesetzt, die dabei vorzugsweise im Inkjet-Verfahren appliziert werden. Die Gemische zeichnen sich, wie im IJ-Verfahren üblich, durch Viskositäten im Bereich weniger mPas als auch durch sehr hohe Lösemittelanteile von über 90% Volumenanteile aus.

Zur Überführung der flüssigen Tinten in den festen Zustand werden i.a. thermische Trocknungsverfahren eingesetzt. Die hohen Lösemittelanteile und die geringe Verdunstungsneigung der Tinten führen zu vergleichsweise langen Trocknungszeiten der Tinten nach der Applikation auf das Substrat im Minutenbereich. Die hohe Beweglichkeit der Tinten erlauben während der Trocknungsphase eine ungewöhnliche starke Ausbildung von Strömungen innerhalb der noch flüssigen Tinte. Diese wiederum können die Bewegung von gelösten oder dispergierten Feststoffanteilen der Tinten zum Rand der benetzten Fläche fördern.

Nach der erfolgten vollständigen Trocknung resultieren diese Anhäufungen in stark ungleichmäßigen Schichtdicken der trockenen Strukturen in den betroffenen Bereichen. Im Allgemeinen ist aber die Gleichmäßigkeit der gedruckten und getrockneten Schicht ein wesentliches Qualitätsmerkmal der funktionalen Schicht. Die auftretenden Abweichungen der Schichtdicken führen häufig zum Ausschluss der Erzeugung der funktionalen Schicht mittels Inkjet-Verfahren. Die Beobachtung der Schichtdickenausbildung während der Trocknungsvorgänge ist deshalb essentiell für ein besseres Verständnis der Phänomene und das letztliche Ziel, möglichst gleichmäßige Schichten im trockenen Zustand zu erzeugen.

Aufgrund des flüssigen Zustandes sind während der Trocknung übliche berührende Messtechniken zur Erfassung der Schichtdicke nicht einsetzbar. Mittels einer optischen berührungsfreien Messmethode besteht die Möglichkeit zur Beobachtung der Trocknungsphase und die daraus resultierenden Schichtdickenabweichungen.

Mehr Informationen: Dr.-Ing. Sandra Rosalen