Von Dr. Jens Klabunde und Sebastian Anton

Nachhaltiges Drucken senkt Kosten

Nachhaltigeres Drucken, bei dem der Verbrauch von Druckerfarbe und Lösungsmittel bei gleicher oder sogar besserer Qualität verringert werden kann, ist möglich: n-Propanol, n-Propylacetat-Mischungen oder reines n-Propylacetat (sogenannte Propyls) können ohne weitere Anpassung herkömmliches Ethanol, Ethylacetat-Mischungen oder reines Ethylacetat (sog. Ethyls) im Tief- oder Flexodruck auf polymeren Substraten direkt ersetzen.

Bei mindestens gleicher, mehrheitlich sogar besserer Druckqualität sind Propyls in Flexo- und Tiefdruck durchschnittlich 30 % sparsamer beim Lösungsmittelverbrauch und reduzieren den Farbverbrauch durchschnittlich zu 20 %. Verzögerer wie z. B. Ethoxy-Propanol sind bei Propyls nicht erforderlich. Das ist beim Verpackungsdruck im Lebensmittelbereich von erheblichem Vorteil. Durch eine verbesserte Prozessstabilität wird der Ausschuss deutlich reduziert. Ergebnisse aus weltweit durchgeführten Industriestudien des Chemieunternehmens Oxea wurden durch eine aktuelle wissenschaftliche Studie der Hochschule der Medien (HdM) in Stuttgart bestätigt.

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(Quelle: Oxea GmbH)

Moderat schnell verdunstende Lösungsmittel sind vorteilhafter für den Tiefdruck

Der Tiefdruck gehört zu den führenden Verpackungsdruckverfahren. Im Vergleich zum Flexodruck benötigen Tiefdruckfarben eine geringere Viskosität, das heißt sie enthalten mehr Lösungsmittel. Herkömmliche Lösungsmittel wie Ethylacetat verdunsten schnell und benötigen Additive, sogenannte Verzögerer, um die Verdampfungsgeschwindigkeit zu verringern. Reines n-Propylacetat oder Mischungen mit n-Propanol, sogenannte Propyls, verdunsten nur moderat schnell. Dadurch kann im Tiefdruck sowohl beim Abmischen der Druckfarben als auch beim Nachdosieren im Druckprozess vollständig auf Verzögerer wie Ethoxy-Propanol verzichtet werden.

Propyls verdunsten langsamer als Ethyls, aber doch schnell genug, um eine sichere Trocknung der Druckfarbe im Prozess zu gewährleisten. Dadurch kommt es in der Druckmaschine allgemein zu einem geringeren Verlust an Lösungsmittel. Im Druckprozess muss deshalb weniger nachdosiert werden, um die Viskosität der Farben aufrechtzuerhalten.

Gegenüber herkömmlichen Lösungsmitteln, oft gemischt mit Verzögerern, haben Farbpigmente in der Druckfarbe in einem Lösungsmittelsystem mit Propyls durch die leicht verlangsamte Trocknung mehr Zeit, um sich im Augenblick des Farbauftrags auf die Folie gleichmäßiger zu verteilen. Das führt im Vergleich zu konventionellen Lösungsmittelsystemen bei der gleichen Menge an Farbpigmenten zu einer höheren Farbdichte. So kann die gleiche Druckqualität mit weniger Pigment erzielt werden, was wiederum zu einem geringeren Verbrauch an Stammfarbe führt.

Beim Herstellen der Druckfarbe aus Stammfarbe, Extender und Lösungsmittel in der Farbküche wird mit Propyls mehr Lösungsmittel und zum Teil mehr Extender eingesetzt, um die Zielviskosität und Zielfarbdichte zu erreichen. Dieser Effekt ist auf die unterschiedliche Lösungsvermittlung der Binderkomponenten durch Proplys zurückzuführen. Somit wird weniger von der wertvollen Stammfarbe benötigt, um das gleiche Volumen fertiger Druckfarbe herzustellen. Dies führt zu weiteren Kostenersparnissen pro bedrucktem Quadratmeter Folie aufgrund des allgemein höheren Preisniveaus der Farbe gegenüber den Lösungsmitteln.

Vorteile für Flexo- und Tiefdruckverfahren beim Verpackungsdruck

Im Flexo- und Tiefdruckverfahren können Propyls konventionell genutzten Ethyls beim Druck auf Folien 1:1 ersetzen. Beim Austausch müssen keine weiteren Anpassungen vorgenommen werden. Druckereien können die gleiche Druckfarbe, das gleiche Equipment, die gleichen Fotopolymer-Flexodruckformen und Tiefdruckzylinder weiter nutzen. Gerade im Verpackungsdruck fordern Kunden ihre Druckdienstleister auf, nachhaltiger zu produzieren: Mit Propyls verbrauchen Druckereien weniger Farbe und weniger Lösungsmittel und produzieren weniger Ausschuss. Damit werden Ressourcen geschont und Emissionen durch flüchtige organische Verbindungen (VOC, volatile organic compounds) gesenkt. Insgesamt betrachtet, steigt die Produktivität der Druckmaschinen.

Die Vorteile von Propyls gegenüber konventionellen Lösungsmitteln sind in weiten Teilen der Welt längst bekannt. Vor allem in Nordamerika wird im Flexodruck traditionell überwiegend mit Propyls gedruckt. In den vergangen Jahren hat sich dieser Trend auch verstärkt in Süd- und Lateinamerika durchgesetzt und wurde auf den Einsatz von n-Propylacetat im Tiefdruck ausgeweitet.

Studien zeigen Einsparpotenzial von Propyls gegenüber Ethyls

Das Chemieunternehmen Oxea hat den Austausch von Ethyls durch Propyls im Flexo- und Tiefdruck in mehreren internationalen Industriestudien bei Convertern und Druckereien begleitet. Dabei wurden Produktionsumfänge von bis zu 2000 km und Zeiträume von bis zu einem Monat betrachtet. Bei allen Studien konnten erhebliche Einsparungen an Druckfarbe und Lösungsmittel erzielt werden – einzig durch den Austausch von konventionellen Ethyls-Lösungsmittelsystemen durch Propyls.

Mit Propyls konnten die Teilnehmer erhebliche Verbesserungen hinsichtlich einer erhöhten Wirtschaftlichkeit bei gleichbleibender oder verbesserter Qualität erzielen und in allen Fällen auf Verzögerer wie Ethoxy-Propanol vollständig verzichten. Propyls weisen die gleiche chemisch-physikalische Kompatibilität wie Ethyls mit in den Druckfarben verwendeten gängigen Bindemitteln wie Nitrocellulose (NC) und Polyurethan (PU) auf. In den Studien zeigten sich Vorteile bezüglich einer verbesserten Prozessstabilität, höherer Druckgeschwindigkeit und geringerem Ausschuss. Die Druckerzeugnisse enthielten signifikant weniger Restlösemittel.

Die verzögerte Verdunstung von Propyls verringert die Neigung, das die Farbe in den Näpfchen von Tiefdruckzylindern eintrocknet. Gleichzeitig verbessert Propyls die Wiederanlösbarkeit getrockneter Farbe. Dieser Effekt ist der Hauptgrund für die beobachteten Qualitätssteigerungen. Das gilt gleichermaßen auch für die Rasterwalzen im Flexodruck. Durch das langsamere Verdunsten von Propyls konnte in vielen Fällen ohne Einbußen in der Qualität der Druckerzeugnisse die Geschwindigkeit der Druckmaschinen gesteigert werden. In einigen Druckversuchen zeigten Propyls geringere Neigung zur Schaumbildung als Ethyls, insbesondere bei der Farbe Schwarz. In einer brasilianischen Studie wurde als weiterer Vorteil eine höhere Farbstabilität durch verringerte Wasseraufnahme beobachtet.

Energieeinsparungen bei der Rückgewinnung

Werden Lösungsmittel wiederverwendet, können exakt die gleichen Verfahren zum Konzentrieren (Aktivkohlebett), Kondensieren oder Destillieren genutzt werden. Dabei zeigt n-Propylacetat einen Vorteil gegenüber Ethylacetat: Die Verdampfungsenthalpie von n-Propylacetat ist geringer als n-Ethylacetat, somit muss weniger Energie bei der Verdampfung als auch bei der Kondensation aufgewendet werden. Der höhere Siedepunkt von n-Propylacetat übt über die größere Temperaturdifferenz zum Kühlmedium eine größere treibende Kraft aus, was die Kondensation zusätzlich begünstigt. Zusammen mit dem gleichzeitig verringerten Gesamtvolumen der Lösungsmittel im Recyclingprozess führen diese Effekte zu Energieeinsparungen bei der Rückgewinnung von verbrauchten Lösungsmitteln.

Fazit

Auf Grundlage der Erfahrungen bei industriellen Kunden wurden die Konzepte zum Ersatz von konventionellen Lösungsmittel durch moderat verdunstende Propyls an der HdM in Stuttgart Ende 2017/Anfang 2008 aufwendig nachgestellt. Dabei wurden in den Arbeitsgruppen der DFTA und von Professor Armin Weichmann unter Laborbedingungen auf Produktions-Druckmaschinen, Testläufe mit 17.000 m Lauflänge im Flexodruck und 10.000 m Lauflänge im Tiefdruck durchgeführt. Die Ergebnisse bestätigen die bisherigen Erkenntnisse von Oxea aus den Industriestudien und dokumentierte vergleichbare Einsparungen an Lösungsmittel und Druckfarben unter Einhaltung der gleichen hohen Anforderungen an die Qualität der Druckerzeugnisse. [4180]

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