Lackhärtung – Infrarot-Strahler und UV-Lampen effizient kombiniert

Für den Hersteller kann das jedoch im Einzelfall eine echte Herausforderung sein, denn diese Fertigungsschritte verursachen häufig einen erheblichen Aufwand an Energie und Kosten.

Heraeus Noblelight präsentiert auf der Messe Paintexpo im April in Karlsruhe anwendungsoptimierte UV-Lampen, Infrarot-Strahler und Systeme für die Lackhärtung. Anwendungsbeispiele zeigen, wann eine Kombination von IR und UV sinnvoll ist und welche Parameter man beachten muss.

Infrarot-Strahlung überträgt Energie kontaktfrei in Materialien, erzeugt dort Wärme und kann so besonders effizient Lacke trocknen oder Pulverlacke aufschmelzen. Bei einem UV-Härtungsprozess, der Polymerisation, werden Photoinitiatoren durch intensives UV-Licht aktiviert, um sich im Bruchteil von Sekunden zu vernetzen.

Damit wird das Material schnell gehärtet, die Oberfläche ist trocken, abriebfest und lässt sich sofort weiter verarbeiten oder verpacken.

In einigen Anwendungen kann die Lackhärtung durch eine Kombination von Infrarot-Wärme mit UV-Strahlung optimiert und effizienter gestaltet werden. Hierzu zählen beispielsweise hochglänzende Lacke, und ebenso Oberflächen, die kratzfest ausgestattet werden sollen.

Oberflächen aus Kunststoff werden mit einem kratzfesten Lack versehen, der ihnen eine spiegelnde Oberfläche verleiht. Anti-Fingerprint Ausstattung verhindert, dass Fingerabdrücke die hochglänzende Optik stören oder etwa Handcremes und Sonnenmilch die Kunststoffe angreifen können.

Solche Lacke sind häufig UV-Lacke, die UV-Strahlung zur Initiierung der Vernetzung benötigen. Diese Vernetzungsreaktion erfolgt jedoch besser bei höheren Temperaturen oder kann durch eine Vor- oder Nacherwärmung weiter optimiert werden. Deshalb werden etwa Kunststoffteile für Radioblenden, Schalthebel oder Lippenstifthülsen in vielen Fällen mit Infrarot-Strahlung vorerwärmt. Dies führt zu einer Verbesserung der Lackeigenschaften.

Infrarot-Strahler härten Lack auf vielen Materialien besonders effizient
Infrarot-Wärme hat sich bei der Trocknung von Beschichtungen bereits
bewährt, denn Infrarot-Strahlung dringt je nach Lacksystem mehr oder weniger tief in das Material ein und trocknet den Lackfilm von innen nach außen. Haut- oder Blasenbildung auf der Oberfläche wird verhindert, und die Trocknung des Lackes beschleunigt. Das Ergebnis ist eine brillante Oberflächenqualität. Infrarot-Strahler übertragen Wärme kontaktfrei und effizient, mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen, die die Wärme erst im Material erzeugen. Anders als bei Heißluft, wird so das Anhaften von störenden Partikeln im empfindlichen Lack während der Trocknung minimiert.

Strahlung, die genau auf Produkt und Beschichtung abgestimmt ist, wird dort rasch in Wärme umgesetzt, Wasser oder andere Lösungsmittel verdunsten, während Material und Umgebung kühler bleiben. So wird beispielsweise mittelwellige Infrarot-Strahlung besonders gut von Wasser aufgenommen. Dadurch kann sie wasserbasierende Beschichtungen ganz gezielt trocknen.

Ideal anwendbar ist die IR-Wärmestrahlung bei bahnförmigen Substraten wie Papier, Textil oder Folie, wobei die IR-Wärme innerhalb von Sekunden für die Trocknung der Beschichtung sorgt. IR-Wärme trocknet große dreidimensionale Objekte wie etwa Motorblöcke oder Gehäuse aus Metall schneller als etwa Heißluft, denn Metall leitet Wärme sehr gut und Infrarot-Strahler übertragen große Energiemengen in kurzer Zeit.

UV-Lampen härten in Sekunden ganz gezielt

UV-Strahlung lässt UV-Farben, -Lacke und -Kleber schlagartig härten. Im Gegensatz zu konventionellen Beschichtungen enthalten UV-Rezepturen keine oder nur sehr geringe Mengen an Lösungsmitteln.

Bei einem UV-Härtungsprozess, der Polymerisation, werden Photoinitiatoren durch intensives UV-Licht aktiviert. Chemische Verbindungen werden zunächst aufgespalten und vernetzen sich anschließend wieder zu neuen Verbindungen. Im Bruchteil von Sekunden ist das vernetzte System trocken und abriebfest und lässt sich sofort weiter verarbeiten.

Auch heute schon kommen dabei unterschiedliche, mit Gallium oder Quecksilber dotierte, Lichtquellen zum Einsatz. Ihre Wellenlängen bestimmen den Ort der Härtung: in der Tiefe oder an der Oberfläche.

Der optimale Härtungsprozess wird von unterschiedlichen Faktoren beeinflusst. Emissionsspektrum und Intensität der UV-Lichtquelle, Beschaffenheit und Dicke des zu härtenden Materials, die Prozessgeschwindigkeit, der Arbeitsabstand zwischen Material und UV-Lichtquelle, Trägermaterial und Umgebungstemperatur und natürlich die chemische Zusammensetzung der Lacksysteme müssen in Betracht gezogen werden. Exakt auf den Prozess abgestimmte UV-Lichtquellen steigern sowohl die Zuverlässigkeit als auch die Durchlaufgeschwindigkeit, reduzieren die Belastung für das Material, sparen Kosten und vor allem Energie.

Wann ist eine Kombination von Infrarot-Wärme und UV-Technologie sinnvoll?
Wärme verbessert die Mobilität der Moleküle und damit das Ergebnis der Härtungsreaktion. Manche Prozesse tragen nur sehr wenig Wärme in die Lackmaterialien ein, etwa, wenn sie sehr schnell laufen. Dadurch kann es jedoch zu negativen Auswirkungen auf Haftung und Beständigkeit kommen.

UV-Härtung ist ein chemischer Vernetzungsprozess. Durch Vorwärmen des Substrats mit Infrarot-Strahlung haftet und vernetzt UV-Lack besser. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn Materialien vor der UV-Vernetzung gezielt erwärmt werden.

Des weiteren wird Infrarot-Wärme eingesetzt, um die Lösemittel von hochglänzenden UV-Lacken vor der Härtung auszutreiben. Besonders effizient erfolgt dies bei modernen wasserbasierenden UV-Nasslacken. Hier wird Infrarot-Wärme zum Verdunsten des Wassers eingesetzt, damit anschließend UV-Strahlung optimal den Lack vernetzen kann.

Eine Kombination von IR und UV ist also dann sinnvoll, wenn herausragende Qualität gefordert ist oder Energie gespart werden soll. Durch die innovative Kombination von Infrarot-Wärme mit UV-Technologien wird einerseits die Energieeffizienz der IR-Lackhärtung verbessert und andererseits Vernetzung von UV-Lacken optimiert.

Der Edelmetall- und Technologiekonzern Heraeus mit Sitz in Hanau ist ein weltweit tätiges Familienunternehmen mit einer mehr als 160-jährigen Tradition. Unsere Kompetenzfelder umfassen die Bereiche Edelmetalle, Materialien und Technologien, Sensoren, Biomaterialien und Medizinprodukte, Quarzglas sowie Speziallichtquellen. Im Geschäftsjahr 2012 erzielte Heraeus einen Produktumsatz von 4,2 Mrd. € und einen Edelmetallhandelsumsatz von 16 Mrd. €. Mit weltweit rund 12.200 Mitarbeitern in mehr als 100 Gesellschaften hat Heraeus eine führende Position auf seinen globalen Absatzmärkten.

Heraeus Noblelight GmbH mit Sitz in Hanau, mit Tochtergesellschaften in den USA, Großbritannien, Frankreich, China und Australien, gehört weltweit zu den Markt- und Technologieführern bei der Herstellung von Speziallichtquellen. Heraeus Noblelight wies 2012 einen Jahresumsatz von 92,5 Millionen € auf und beschäftigte weltweit 715 Mitarbeiter. Das Unternehmen entwickelt, fertigt und vertreibt Infrarot- und Ultraviolett-Strahler und -Systeme für Anwendungen in industrieller Produktion, Umweltschutz, Medizin und Kosmetik, Forschung und analytischen Messverfahren.

Heraeus Noblelight hat zum 31.01.2013 die Fusion UV Systems-Gruppe mit Hauptsitz in Gaithersburg, Maryland (USA) erworben.

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Hersteller: Heraeus Noblelight GmbH
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Redaktion: Dr. Marie-Luise Bopp
Heraeus Noblelight GmbH,
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