DE2755189B2

DE2755189B2 - Verfahren zur Ausbildung geschlossener und festhaftender Lackschichten aus UV- oder ESH- Lacken auf inhomogenen, insbesondere teilweise bedruckten Substratoberflächen

Info

Publication number: DE2755189B2
Application number: DE19772755189
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr. 4930 Detmold Niesen
Original assignee: Detmolder Lackfabrik Niesen & Soehngen 4930 Detmold
Current assignee: Detmolder Lackfabrik Niesen & Soehngen 4930 Detmold
Priority date: 1977-12-10
Filing date: 1977-12-10
Publication date: 1980-11-27
Also published as: DE2755189A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung geschlossener und festhaftender Lackschichten aus UV- oder ESH-Lacken auf inhomogenen, insbesondere teilweise bedruckten Substratoberflächen aus Papier, Karton oder Holz sowie auf bedruckten oder unbedruckten Metalloberflächen, vorzugsweise Weißblechoberflächen.

Die Oberflächen derartiger Substrate werden oftmals — zum Schutz und/oder insbesondere auch aus dekorativen Gründen — mit einem Überzug aus einer vorgebildeten Kunststoff-Folie, vorzugsweise auf Polyolefinbasis, versehen.

In der DE-AS 11 23 903 ist ein Verfahren zum Kaschieren von Polyalkylenfolien auf Papier, Karton od. dgl. mittels Klebstoff beschrieben, wobei die Folie vor dem Kaschieren durch ein Verfahren zum Pefirisieren der Folienoberfläche vorbehandelt wird. Zur Vorbehandlung derartiger Folien kommen sowohl chemische als physikalisch-chemische Verfahren in Frage.

Zu den letztgenannten Verfahren zählt beispielsweise die Vorbehandlung von Polyäthylenfolien durch Korona-Entladung im hochgespannten Wechselstromfeld, wie sie z. B. in der Veröffentlichung von H. Schmedding, »Das Vorbehandeln ebener Polyäthylen-Oberflächen zur Bedruckung und Verklebung«, Papierverarbeiter, Ausgabe 3/1969, Berger-Verlag, Frankfurt/Main, beschrieben ist. Die Koronabehandlung der Polyäthylenfolien hat zum Ziel, ihre Verklebbarkeit und Bedruckbarkeit zu verbessern. Dies wird durch eine Erhöhung der Oberflächenspannung der Folien erreicht, da für die Haftung von Druckfarben- oder Klebstoff-Filmen eine gute Benetzbarkeit der Folienoberfläche eine wesentliche Voraussetzung darstellt. Diese Vorbehandlung wird in den meisten Fällen unmittelbar vor der weiteren Verarbeitung der Folie vorgenommen, um die volle Wirkung der Korona-Behandlung zu gewährleisten und Alterungserscheinungen auszuschalten. Unerläßlich für das Folienkaschieren von Papier, Karton od. dgl. ist jedoch die Verwendung eines geeigneten Klebstoffes. Hierzu werden meist lösungsmiuelhaltige Klebstoffsysteme eingesetzt.

Zur Veredlung der genannten Substrat-Oberflächen hat sich in letzter Zeit zunehmend die Verwendung von mitiels I)V- oder Elcktronenstrahlen härtbaren Lacken (UV- und ESH-Lacke) durchgesetzt Derartige Lacke lassen sich — ohne Anwendung spezieller Klebstoffe oder sonstiger Bindemittel — direkt auf die bedruckte oder unbedruckte Substratoberfläche mil üblichen Lackier- oder Druckmaschinen, eventuell auch im Gießverfahren, auftragen und anschließend mittels UV- oder Elektronenstrahlen in kürzester Zeit aushärten. Von besonderem Vorteil ist hierbei, daß diese Lacke normalerweise keine Lösungsmittel enthalten. Die Rolle eines Lösungsmittels wird von dem jeweiligen Monomeren übernommen, das bei der Aushärtung vollständig in den sich bildenden LackOberzug einpolymerisiert wird. Aus der umfangreichen Literatur zu diesen modernen Lacktypen seien die folgenden Fundstellen in beispielhaft zitiert: Ullmann's Encyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage, Band 3, Seiten 316-318 einschließlich der dort zitierten Originalliteratur, Ulimann aaO, 3. Auflage, Ergänzungsband 1970, Seite 316, Wagner/Sarx »Lackkunstharze«, Carl Hanser Verlag,

π München 1971, Seiten 136, 141 und 198 einschließlich der dort zitierten Originalliteratur.

Gegenüber den konventionellen, d. h. lösungsmittelhaltigen Lacken, weisen diese UV- und ESH-Lacke jedoch den Nachteil auf, daß sie häufig und dauei in nicht vorhersehbarer Weise die bedruckte oder unbedruckte Substratoberfläche beispielsweise aus Papier, Karton, Metall oder Holz schlecht benetzen. Schwierigkeiten treten insbesondere dann ein, wenn die zu beschichtende Oberfläche der Substratunterlage keine einheitliche Beschaffenheit besitzt Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn ein flächiges Material wie Papier, Pappe oder Karton bildmäßig bedruckt ist, so daß Teilflächenbereiche mit unterschiedlicher Benetzbarkeit bzw. Adhäsion dem anschließend aufzubringenden

μ Decklack gegenüber vorliegen. Es hat sich herausgestellt, daß in nicht vorhersehbarer Weise — beispielsweise in Abhängigkeit von den jeweils gewählten Druckfarben — Störungen im Auftrag dies Decklackes entstehen können. Besonders auffallend kann diese

J5 Störung beim Oberschichten von mehrfarbig bedruckten Substratoberflächen mit den genannten Lacksystemen in Erscheinung treten. Nach erfolgter Aushärtung des Lackes sind dann z. B. Kraterbildungen, Mattstellen oder Stellen mit ungenügender Lackhaftung zu

beobachten.

Diese Schwierigkeiten führen beispielsweise bei der Beschichtung farbig, insbesondere mehrfarbig bedruckter Pappen mit UV- oder ESH-Lacken — etwa im Rahmen der Herstellung hochglänzender Drucksachen — zur Notwendigkeit, schon den Druckereibetrieb dahingehend anzuweisen, daß solche Druckfarben auszuwählen sind, die ein späteres Überschichten mit UV- oder ESH-Lacken ermöglichen. Es ist verständlich, daß hier eine unerwünschte Behinderung vorliegt, die

häufig unlösbare Probleme mit sich bringt, so daß letztendlich auf die Lackierung mit UV· oder ESH-Lakken verzichtet werden muß.

Die hier anhand bedruckter Kartonagen dargestellten Probleme treten in vergleichbarer Weise bei der Beschichtung von bedruckten oder unbedruckten Metalloberflächen mit UV- und ESH-Lacken auf. Beispielsweise bei der Lebensmittelverpackung spielt die Verwendung von Weißblech eine große Rolle, und es ist häufig erwünscht, den vollflächig oder teilflächig

M) bedruckten Weißblechdosen — beispielsweise Getränkedosen — eine die dekorative Wirkung steigernde Schutzhülle aus Kunststoff zu verleihen. Hier wäre die Lackierung mit den genannten Systemen äußerst wünschenswert. Es zeigt sich jedoch, daß UV- oder

*5 ESH-gehärtete Lackschichten schlechte Haftfestigkeit aufweisen und noch dazu Qualitätseinbußen durch unregelmäßige Benetzung mit sich bringen können.
Es ist bekannt, homogene Kunststoffolien einer

Koronabehandlung zu unterziehen, um die Haftfähigkeit beim Kaschieren oder Bedrucken zu verbessern; vgl. G, Kühne, Bedruckungsverfahren auf Kunststoffen, Metalloberfläche, Bd. 29, 1975, Seite 349. Es war weiterhin bekannt, daß die Wirksamkeit einer Koronabehandlung für die bisher üblichen Verwendungszwekke rasch nachläßt, so daß man in der Praxis entweder erst kurz vor der endgültigen Verwendung koronabehandelt oder aber kurz vor der Verwendung die Koronabehandlung wiederholt

Aus der DE-AS 12 34389 ist weiterhin bekannt, daß die besonders schwierig haftenden Polycarbonatfilme vorzugsweise koronabehandelt werden, wobei dies ebenfalls unmittelbar vor der weiteren Verwendung stattfindet

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, geschlossene und festhaftende Lackschichten aus UV- und ESH-Lacken auf inhomogenen, insbesondere teilweise bedruckten Substratoberflächen aus Papier, Karton oder Holz sowie auf bedruckten oder unbedruckte» Metalloberflächen auszubilden. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, ^{ dkß man die zu beschichtenden Oberflächen vor dem Lackauftrag einer mindestens einmaligen Koronaentladung aussetzt und dann mit dem Lack beschichtet 2;

Erfindungsgemäß ist ein zuverlässiges Oberziehen von Papier, Pappe, Karton im bildmäßig oder schriftbildlich gedruckten Zustand möglich, ohne daß es der Auswahl ganz bestimmter geeigneter Druckfarben und/oder Papier- bzw.. Kartonqualitäten bedarf. Auch jo huf bedruckten oder unbedruckten Metalloberflächen ist es erfindungsgenräß möglich, UV- und ESH-gehärtete Lackschichten mit verbesserter Haftfestigkeit und Gleichmäßigkeit zu schaffen.

Zur Durchführung des erfinJu/igsgemäßen Verfahrens wird die zu beschichtende Oberfläi ,e nach der ggf. mehrmaligen Koronavorbehandlung in üblicher Weise mit dem Lack beschichtet und in üblicher Weise gehärtet

Die im Sinne der Erfindung eingesetzte Vorbehandlung ebnet gewissermaßen beliebige Inhomogenitäten der zu beschichtenden Unterlagen ein, so daß der gewünschte gleichmäßig festhaftende und in sich geschlossene überzug mit dem Decklack möglich wird. Es entstehen hochglänzende ebene Lackschichten. 4; Welche chemischen oder physikalischen Wirkungen dabei an den einzelnen Teilbereichen der Substratoberflächen durch die Korona-Entladung ausgelöst v/erden, kann nicht mit Sicherheit gesagt werden. Um so überraschender ist es, daß durch eine einheitliche Vorbehandlung der normalerweise inhomogenen Substratoberfläche eine derartige Verbesserung der Lakkierbarkeit im Sinne der Erfindung erzielt wird.

Besonders hervorzuheben ist hierbei auch die Verbesserung der Lackierbarkeit von Metalloberflächen mit UV- und ESH-Lacken. Gitterschnittversuche an den ausgehärteten Lackschichten auf unbedruckten Weißblechen zeigen die nachhaltig erhöhte Haftfestigkeit der ausgeharteten Lackschichten an den durch eine Korona-Entladung vorbehandelten Probebiechen.

Die erfindungsgemäße Korona-Vorbehandlung kann mit den heute üblichen Korona-Vorbehandlungsgenera toren erfolgen, wie sie beispielsweise zur Druckvorbehandlung in Blasfilmextrudern, Druckmaschinen, insbesondere Becherdruckmaschinen u. dgl., konzipiert wor- μ den sind. Bevorzugt sind Generatoren, die hohe Intensitäten bei hohen Materialvorschubgeschwindigkeiten liefern. Geräte mit einer Frequenz zwischen 20 und 30 kHz können mit Vorteil eingesetzt werden.

Durch die erfindungsgemäß eingesetzte Korona-Vorbehandlung soll eine deutliche Steigerung der Oberflächenspannung an der Substratoberfläche bewirkt werden. Zur Messung der Wirkung der Korona-Vorbehandlung ist insbesondere der Union-Carbide-Test geeignet, der bekanntlich mit definierten Testlösungen, z. B. Formamid-Äthylglykol-Mischungen arbeitet, die vorbestimmte Oberflächenspannungswerte besitzen. Diese Testlösungen werden auf die koronabehanoelte Fläche aufgetragen und dort unter Testbedingungen beobachtet Hierbei wird vereinfachend angenommen, daß die Oberflächenspannung der Testlösung der Oberflächenspannung der Folie entspricht

Im Rahmen der Erfindung hat sich gezeigt, daß die Aus^angsmaterialien für das erfindungsgemäße Verfahren, beispielsweise also bedruckte Kartonagen, häufig Ausgangswerie bei 3,0· 10~² N/m und darunter aufweisen. Je nach Intensität der Korona-Behandlung und der Art des Materials (Papier, Blech) steigt die Oberflächenspannung durch die Korona-Behandlung mehr oder weniger schnell an. Um einwandfreie Lackiereffekie im erfindungsgemäßen Sinne zu erzielen, sollten Oberflächenspannungswerte — wie zuvor angegeben bestimmt — oberhalb von 3,5-10^² N/m, vorzugsweise oberhalb 3,8· 10"²NZm, eingestellt werden. Besonders geeignet kann der Bereich von 3,8 bis 4,0-10-² N/m sein.

Führt eine einmalige Korona-Behandlung noch zu keiner einwandfreien Benetzung der bedruckten oder unbedruckten Substratoberflächen, so kann durch Wiederholung oder durch Arbeiten mit zwei Elektroden die gewünschte homogene Benetzbarkeit eingestellt werden.

Es hat sich weiterhin gezeigt, daß eine Korona-Vorbehandlung im Sinne der Erfindung Langzeitwirkung aufweist Vorbehandelte bedruckte oder unbedruckte Substrate lassen sich auch nach einer längeren Zwischenlagerung — beispielsweise über einen Zeitraum von 4 bis 6 Wochen oder auch noch länger — mit fehlerfreien Lackschichten auf Basis von UV- oder ESH-Lacken Oberziehen.

Aligemein können im erfindungsgemäßen Verfahren die gebräuchlichen Korona-Entladungsanlagen Verwendung finden. Derartige Anlagen bestehen je nach Fabrikat aus einem Nieder-, Mittel- oder Hochfrequenz-Generator, einem nachgeschaltenen Hochspannungstransformator, einer oder mehrerer Varbehandlungselektroden sowie diesen entsprechenden, mit einem Dielektrikum ummantelten Massewalzen. Gegebenenfalls können auf eint' Massewalze auch mehrere spannungsführende Elektroden wirken. Geeignete Vorbehandlungselektroden können sowohl messer- als auch walzenförmig ausgebildet sein. Die Spannung nach dem Transformator beträgt zwischen 5 und 60 kV und kann je Periode auf 60OkV oder gegebenenfalls hönere Werte ansteigen. Im Spalt zwischen der spannungsführenden Elektrode und der entsprechenden Massewalze bildet sich bei Anwesenheit ionisierbarer Gase eine Entladungskorona aus, die dem dazwischen geführten Substrat die gewünschte Vorbehandlung vermittelt

Für die Aushärtung mit UV- oder ionisierbaren Strahlen kommen bekanntlich solche Läcksysieme in Frage, die auf Monomeren und/oder Oligomeren mit polymerisierbaren, durch Nachbargruppen aktivierten Doppelbindungen basieren und unter dem Einfluß der energiereichen Strahlung vernetzen.

Geeignete Lacrisysieme für die Vernetzung mit Elektronenstrahlen enthalten ungesättigte Polyester,

Acrylmonomere oder Vinylplastisole, Üblicherweise kommen hierfür insbesondere styrolhaltige Ester der Maleinsäure in Betracht, Anstelle des Styrols können jedoch auch Acrylate Verwendung finden. Zur Härtung unter UV-Bestrahlung werden vorzugsweise ungesättigte Polyesterlacke, gegebenenfalls unter Mitverwendung gebräuchlicher Sensibilisatoren eingesetzt. Für das Verfahren gemäß der Erfindung lassen sich, außer den hier genannten, jedoch auch andere, für die Härtung mit UV- oder Rlektronenstrahlen geeignete Lacksysteme verwenden.

Der Auftrag der Lacke auf die jeweilige Substratoberfläche kann mit den üblichen Lackauftragsmaschinen bzw. -vorrichtungen erfolgen. Wie bereits erwähnt, enthalten derartige Lacke normalerweise keine Lösungsmittel, da das im Lacksystem enthaltene Monomere die Funktion des Lösungsmittels übernimmt. Somit entfallen das ansonsten erforderliche Abdunsten des Lösungsmittels sowie entsprechende aufwendige Einrichtungen. Die Aushärtung des Lackfilms mittels UV- oder Elektronenstrahlen kann unmittelbar nach dem Auftragdes Lackes erfolgen, wobei das Monomere in den Lackfilm einpolyiherisiert wird. Verluste an Monomeren durch Abdampfen sind bei den üblicherweise kurzen Bestrahlungs- bzw. Trockenzeiten praktisch zu vernachlässigen. Zur Härtung derartiger Lacke lassen sich die gebräuchlichen Bestrahlungsanlagen einsetzen.

Für das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignete Substrate sind ein- oder mehrfarbig bedruckte Papier- oder Kartonteile, wie sie z. B. bei der Herstellung von Schallplattenhüllen, Heft- bzw. Buchumhüllungen oder -deckel. Faltschachteln und Kartonagen, Zündholz-Flachpackungen, Anschauungsmaterial u.dgl. benötigt werden. Die Saugfähigkeit der zu beschichtenden Substratoberfläche darf natürlich — in Abhängigkeit von der aufgetragenen Menge des Lacksystems und seiner Viskosität — nicht so stark sein, daß das Lacksystem vor seiner Aushärtung in das Innere des festen Substrates wegschlägt. Geeignet ist das erfindun^sgemäße Verfahren aber vor allen Dingen auch zur Überschichtung von Weißblech im blanken, d.h. unbedruckten Zustand oder auch im bedruckten Zustand

Im übrigen ist das allgemeine Fachwissen der Lackiertechnik zur optimalen Zusammensetzung der zum Einsatz kommenden Lacke .^u berücksichtigen. Das bedeutet, daß, bezogen auf den jeweiligen Verwendungszweck, die bestmögliche Zusammensetzung des Lackes zu wählen ist So gilt beispielsweise, daß Lacke für Papier und Karton anders aufgebaut sind als Blechlacke. UV-Lacke werden als farblose Lacke (Klarlecke) eingesetzt und verarbeitet. Diese farblosen UV-Lacke eignen sich in erster Linie zur Beschichtung von glatten, porenfreien Untergründen, wobei sie mit vergleichsweise geringen Gewichtsmengen pro m² verarbeitet werden, je nach Trägermaterial reichen in der Regel 5 bis 8 g Lack pro m². Auf Blech können auch noch dünnere Lackschichteft (z.B. 2 bis 3g/m²) Verwendung finden. Die Trocknung dieser UV-Lacke erfolgt in der Regel unter Quecksilber-Hochdruck-Strahlern. Durchweg werden fehlerfreie haftfeste hochglänzende und elastische Überzüge erhalten.

ESH-Lacke können in dicken Schichten gehärtet werden. Dabei ist es auch möglich, die Lacke mit üblichen Pigmenten und Füllstoffen einzufärben. Rs können dann je nach Leistung der ES-Anlage Gewichtsauflagen bis zu 400 g/m² gehärtet werden.

Geeignet hierfür sind ES-Anlagen mit einer Leistung von 400 kV. Neuerdings stehen Anlagen zur Verfügung, die nur eine Leistung von 15OkV aufweisen. Damit können Lackfilmgewichte von 100 bis 120 g/m² gehärtet s werden.

Die Korona-Vorbehandlung kann sowohl an Zuschnitten verschiedener Formate wie auch an Rollenware vorgenommen werden. Die Korona-Anlage sollte hinsichtlich ihrer Leistung so bemessen sein, daß bei in einer Vorschubgeschwindigkeit von bis zu etwa 30 m/min eine Oberflächenspannung von 3,8 bis 4,0-10-² N/m eingestellt werden kann.

Bei der erfindungsgemäß vorgesehenen Lackierung

von Eisenblechen, insbesondere Weißblech, kann die

Haftung der Lackfilme zusätzlich durch eine kurzzeitige Wärme-Nachbehandlung erhöht werden, die nach der

vorgängigen UV- oder ES-Härtung erfolgt. Geeignet ist ein Erhitzen für einige Minuten auf erhöhte, den Lack jedoch nicht schädigende Temperaturen, beispielsweise für etwa 10 Min. auf etwa 200° C

In den folgenden Beispielen rind zunächst einige Richtrezepturen für UV- bzw, fiSH-Lacke und dann Beispiele für ihre Anwendung im erfindungsgemäßen Verfahren zusammengestellt.

Beispiel 1
a> UV-härtender Lack für Papier und Karton

100 Gew.-Teile photopolymerisierbares, ungesättigtes Acrylharz

37 Gew.-Teile Hexandioldiacrylat

0,5 Gew.-Teile Silikonharzlösung
Der Photoinitiator befindet sich im Basisharz,
b) UV-härtender Lack für Weißblech
37,0 Gew.-Teile Polyesteracryiat

4,0 Gew.-Teile Hexandioldiacrylat
16,0 Gew.-Teile aromatisches Urethanacrylat
0,4 Gew.-Teile 2-Chlorothioxanthon
3,0 Gew.-Teile ungesättigtes tertiäres Amin

Beispiel 2

Eine mehrfarbig bedruckte Kartonrollenware wird durch Korona-Behandlung im hochgespannten Wechselstromfeld bei einer Vorschubgeschwindigkeit von

*> 30 m/Min, auf eine Oberflächenspannung (bestimmt nach dem Union-Carbide-Test) von 3,8 bis 4.0· 10-² N/m eingestellt

In einer ersten Versuchsserie wird unmittelbar im Anschluß an diese Vorbehandlung ein UV-Lack gemäß

M) Beispiel la) in einer Auftragsmenge von 6 bis 8 g/m² im Walzverfahren aufgetragen.

Das beschichtete Material wird in einer konventionellen Trocknungsanlage mit Quecksilber-Hochdruckücht bestrahlt. Die Trocknung des Lackfilms erfolgt unmittel-

Y bar. Es entsteht ein fehlerfreier festhaftender hochglänzender elastischer Überzug.

Zuschnitte aus dem, wie zuvor angegeben, kronavorbehandelten Ausgangsmaterial werden 4 Wochen gelagert. Anschließend wird mit dem gleichen Lacksystem wiederum ir/ einer Schichtdicke von 6 bis 8 g/m² überschichtet und unter Quecksilberlicht getrocknet. Auch hier entstehen fehlerfreie haftfeste hochglänzende und elastische Überzüge.

₆. Beispiel 3

Eine blanke Weißblechplatte wird unmittelbar mit einem UV-härtenden Lack gemäß Beispiel Ib) in einer Schichtdicke von 2 bis 3 g/m² in einer Walzlackierma-

schine beschichtet. Die I rocknung des lösungsmittelfreien Lackfilmes erfolgt unmittelbar anschließend unter Quecksilber- Hochdruckstrahlen.

Der gehärtete Lackfilm zeigt Bereiche mit dishomogenem Lackschichtaufbau. Hier herrschen kraterförmige Fehistellen vor.

An einer einwandfrei benetzten Stelle des Versuchsblechs wird ein 1-mm-Gitterschnitt angebracht und in der Abreißprobe ausgetestet. Der gesamte überklebte Bereich — auch außerhalb des Gitterschnitts — wird abgerissen.

In einem Vergleichsversuch wird eine entsprechende Musterplatte aus dem gleichen Weißblech in einer

Korona-Vorbehandlung bis zu einer Oberflächenspannung von 3,8 bis 4,0· 10 ' N/m vorbehandelt. Anschließend wird wieder der UV-Lack gemäß Beispiel Ib) in einer Schichtstärke von 2 bis 3 g/m^J aufgetragen, woraufhin unter Quecksilberlicht getrocknet wird.

Die hierbei erhaltene Lackschicht ist vollständig homogen. Kraterförmige Dishomogenitäten liegen nicht vor.

Ein l-mm-Gitterschnitt wird aufgebracht und im Abreißtest geprüft. Es tritt lediglich eine geringfügige Ablösung einzelner Lackteilchen auf. Die erhöhte Haftfestigkeit der UV-Lackschicht auf der Korona-vorbehandelten Weißblechfläche ist unverkennbar.

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Ausbildung geschlossener und festhaftender Lackschichten aus UV- oder ESH-Lacken auf inhomogenen, insbesondere teilweise bedruckten Substratoberflächen aus Papier, Karton oder Holz sowie auf bedruckten oder unbedruckten Metalloberflächen, vorzugsweise Weißblechoberflächen, dadurch gekennzeichnet, daß man die zu beschichtenden Oberflächen vor dem Lackauftrag einer mindestens einmaligen Korona-Entladung aussetzt und dann mit dem Lack beschichtet.