Wie wählt man Tiefdruckfarben aus, die für verschiedene Substratmaterialien geeignet sind?

Grundlagen zu Substrateigenschaften und deren Einfluss auf die Leistung von Tiefdruckfarben

Die Rolle des Substrattyps bei der Haftung und Haltbarkeit von Tiefdruckfarben

Die Wirkungsweise von Tiefdruckfarben hängt stark davon ab, auf welchem Material sie gedruckt werden. Bei porösen Materialien wie normalem Papier zieht sich die Farbe durch Kapillarwirkung aufgrund winziger Poren in die Oberfläche ein und erzeugt so eine Art mechanische Haftung. Bei nichtporösen Oberflächen wie Kunststofffolien verhält es sich dagegen völlig anders. Hier muss die Farbe chemisch haften, das heißt, die Polymermoleküle müssen auf molekularer Ebene tatsächlich mit dem Druckträger binden. Beim Bedrucken von Metallfolien kommen wiederum besondere Herausforderungen hinzu. Solche Materialien erfordern speziell formulierte Farben, die sich während nachfolgender Fertigungsschritte verformen und dehnen lassen, ohne zu reißen oder unter der Belastung durch Falzen, Formen oder andere Nachbearbeitungsschritte zu springen.

Häufig verwendete Trägermaterialien im Tiefdruck: Papier, Kunststofffolien und Metallfolien

• Papier : Erfordert schnell trocknende Farben, um Verlaufen zu verhindern (35–45 dyn/cm Oberflächenenergie)
• BOPP/PET-Folien : Benötigt lösemittelbasierte Tinten (Oberflächenenergie ≥ 38 dyne/cm nach Behandlung)
• Aluminiumfolien : Verwendet spezialisierte Tinten mit thermischer Stabilität bis zu 160 °C

Oberflächenenergie und Porosität: Wie sie die Tintenbenetzung und -bindung beeinflussen

Materialien mit einer Oberflächenenergie unter 36 dyne/cm, wie unbehandeltes Polyethylen, weisen in der Regel Standard-Grafurtinten ab. Die Porosität eines Materials bestimmt, wie tief die Tinte in das Material eindringt. Beispielsweise kann Zeitungspapier zwischen 12 und 18 Gramm pro Quadratmeter Tinte aufnehmen, während beschichtete Kartonträgermaterialien typischerweise nur 4 bis 6 Gramm pro Quadratmeter aufnehmen. Eine gute Benetzung wird am besten erreicht, wenn die Oberflächenspannung der Tinte etwa 2 bis 5 Millinewton pro Meter unter der Oberflächenenergie des Substrats liegt. Dieser Unterschied ermöglicht eine ordnungsgemäße Haftung, ohne dass sich überschüssige Tinte ansammelt.

Herausforderung: Schlechte Tintenhaftung auf Filmen mit niedriger Oberflächenenergie wie PE und PP

Unbehandelte Polyolefinfolien (28–31 dyn/cm) verursachen etwa 60 % der Haftungsfehler beim Tiefdruck. Eine Corona-Behandlung erhöht die Oberflächenenergie von PP auf 40–44 dyn/cm und verbessert die Farbhaftung um bis zu 300 %. Die Flammbehandlung bietet eine dauerhafte Alternative und hält die Oberflächenenergie unter normalen Lagerbedingungen 8–12 Wochen lang über 38 dyn/cm.

Kernkriterien für die Abstimmung von Tiefdruckfarbe auf Substrat-Eigenschaften

Haftung, Trocknungsgeschwindigkeit und Flexibilität: Wichtige Leistungsanforderungen

Gute Ergebnisse beim Tiefdruck zu erzielen, hängt entscheidend davon ab, die Druckeigenschaften richtig einzustellen. Bei der Haftung sind unterschiedliche Materialien unterschiedlich zu behandeln. Poröse Papiere funktionieren am besten mit Druckfarben, die durch Kapillarwirkung in sie eindringen können, bei Kunststofffolien sieht die Sache jedoch völlig anders aus. Hier sind spezielle polare Harze erforderlich, die chemisch mit der Oberfläche binden. Auch die Trocknungszeit spielt eine Rolle. Papier trocknet normalerweise innerhalb einer Sekunde, weshalb man Lösungsmittel verwenden muss, die langsamer verdampfen. Metallfolien dagegen benötigen Mittel, die möglichst schnell aushärten. Außerdem ist die Flexibilität zu berücksichtigen. Bei dehnbaren Materialien wie PE-Folien muss die Farbe sich zusammen mit dem Material dehnen lassen, ohne zu reißen. Die meisten Fachleute suchen nach Druckfarben, die eine Dehnung von mindestens 3 % verkraften, bevor Risse entstehen, wenn das Material verformt wird.

Abstimmung der Farbzusammensetzung auf die Absorption des Substrats und die thermische Stabilität

Diese Abstimmung verhindert Fehler wie Abblättern auf beschichteten Papieren oder Lösungsmittelrückhaltung in mehrschichtigen Folien. Bei wärmesiegelbaren Verpackungen müssen die Druckfarben Temperaturen von 120–140 °C in Wärmekanälen ohne Verfärbung aushalten.

Leistungsanforderungen: Reibungsbeständigkeit, Abriebfestigkeit und Haltbarkeit des Drucks

Für industrielle Anwendungen muss die Leistung absolut zuverlässig sein. Tiefdruckfarben müssen gemäß dem Standard ASTM D5264 mindestens 500 Zyklen bei Sutherland-Reibungstests aushalten. Außerdem sollten sie nach 1.000 Zyklen im Taber-Abriebtest nicht mehr als 10 % Abnutzung aufweisen. Was die UV-Stabilität betrifft, müssen die Formulierungen ihre Farbbeständigkeit auch nach 500 Stunden Lichteinwirkung beibehalten. Der Delta-E-Wert sollte unter 2,0 liegen, was im Wesentlichen bedeutet, dass sich die Farben nicht wesentlich von ihrem ursprünglichen Erscheinungsbild entfernen – ein entscheidender Faktor für Produkte, die im Außenbereich verwendet werden. Die Verpackung von Lebensmitteln stellt eine ganz andere Herausforderung dar. Die hier verwendeten Farben müssen auch Sterilisationsprozessen bei 121 Grad Celsius und einem Druck von 15 psi über eine halbe Stunde standhalten. Natürlich müssen sie außerdem allen Vorschriften der FDA 21 CFR Abschnitt 175.300 bezüglich Materialien für den direkten Lebensmittelkontakt entsprechen.

Auswahl von Harzen und Pigmenten für optimale Tinten-Substrat-Kompatibilität

Effektdruck durch Tiefdruck erfordert eine präzise Abstimmung zwischen der Chemie der Druckfarbe und den physikalischen Eigenschaften des Substrats. Die Auswahl geeigneter Harze und Pigmente gewährleistet eine starke Haftung, scharfe Wiedergabe und langfristige Haltbarkeit.

Harztypen für Hochleistungssubstrate: PET, OPP und nicht-poröse Folien

Polyurethanbasierte Harze werden für Polyester (PET) und orientiertes Polypropylen (OPP) bevorzugt, da sie über chemische Beständigkeit und Flexibilität verfügen. Modifizierte Acrylat-Copolymere haben nach Temperaturwechselbelastung auf nicht-porösen Oberflächen eine Bindungsstärke von 98 % beibehalten. Nitrocellulose-Harze sind weiterhin weit verbreitet bei Metallfolien, wo schnelle Trocknung und hoher Glanz entscheidend sind.

Pigmentdispergierstrategien für wasserbasierte Tiefdruckfarben auf porösem Papier

In wasserbasierten Systemen gewährleisten Pigmentpartikel unter 5¼m eine effektive Durchdringung der Papierfasern ohne Ausfransen. Durch fortschrittliches Mahlen mit Zirkoniumoxid-Kugeln wird eine Dispersionswirkung von 95 % erreicht, was eine gleichmäßige Farbgebung bei Hochgeschwindigkeitsläufen unterstützt und den Tintenverbrauch im Vergleich zu konventionellen Methoden um 15–20 % senkt.

Kohlenstoffschwarz-Struktur und deren Einfluss auf die Tinteneindringung und Farbstärke

Kohlenstoffschwarze mit hoher Struktur (Aggregatgröße: 200–300 nm) bieten eine überlegene Lichtabsorption und erreichen L*-Werte unterhalb von 1,5 auf Schwarzdichteskalen. Ihre verzweigte Morphologie verbessert die Tintenübertragung aus Gravürezellen, während sie eine Überpenetration minimieren – entscheidend für eine scharfe Punktwiedergabe auf gestrichenen Papieren.

Wasserbasierte vs. lösemittelbasierte Tiefdruckfarben: Bewertung der Substrat-Eignung

Vorteile wasserbasierter Druckfarben für Papier- und Kartonsubstrate

Wasserbasierte Tiefdruckfarben sind aufgrund ihrer Umweltvorteile und hervorragenden Verarbeitungseigenschaften zur bevorzugten Wahl beim Druck auf Papier- und Kartonmaterialien geworden. Diese Farben enthalten etwa 60 bis 70 Prozent Wasser, wodurch die Emission flüchtiger organischer Verbindungen um bis zu 85 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen lösemittelbasierten Alternativen reduziert wird. Ihr geringer Viskositätsbereich zwischen 50 und 150 Millipascal-Sekunden ermöglicht es ihnen, in die porösen Fasern von Papierprodukten einzudringen, was eine gleichmäßige Farbabdeckung auf den bedruckten Flächen bei gleichzeitig schneller Trocknung bei Temperaturen zwischen 80 und 100 Grad Celsius gewährleistet. Ein weiterer großer Vorteil ist, dass diese Farben vollständig geruchsneutral sind und sowohl den FDA-Normen als auch den Vorschriften der Europäischen Union für den direkten Kontakt mit Lebensmitteln entsprechen, wodurch sie besonders geeignet für Verpackungsanwendungen sind, bei denen die Lebensmittelsicherheit für Hersteller von größter Bedeutung ist.

Warum lösemittelbasierte Farben auf nicht-porösen Kunststofffolien überlegen sind

Gravürenfarben auf Lösungsmittelbasis haften bei Verwendung spezifischer Harz- und Lösungsmittelgemische sehr gut auf Materialien wie Polypropylen (PP) und Polyethylen (PE). Häufig verwendete Lösungsmittel wie Ethylacetat oder Toluol lösen die Oberfläche dieser Folien vorübergehend leicht auf. Wenn diese Lösungsmittel bei Temperaturen zwischen 60 und 80 Grad Celsius innerhalb von etwa 10 bis maximal 30 Sekunden verdunsten, entstehen winzige Verankerungspunkte, die eine bessere Haftung der Farbe ermöglichen. Dieser Mechanismus wirkt gegen die sogenannte niedrige Oberflächenenergie an, die typischerweise zwischen etwa 28 und 31 Dyn pro Zentimeter liegt. Das Ergebnis? Abziehwerte, die 2,5 Newton pro 15 Millimeter überschreiten. Für Anwender mit glänzenden metallisierten PET-Oberflächen bewahren diese lösemittelbasierten Varianten den Glanzfinish und verhindern gleichzeitig, dass die Farbe verrinnt oder sich unerwünscht ausbreitet.

Additive zur Verbesserung der Leistung wasserbasierter Druckfarben

Drei Additivkategorien verbessern die Funktionalität wasserbasierter Druckfarben:

1. Tenside (0,5–1,5 %) : Verringert die Oberflächenspannung von 72 mN/m auf 35–40 mN/m und verbessert die Benetzung auf PE/PP-Folien
2. Verdickungsmittel (Xanthan-Gummi-Derivate) : Stellt die Viskosität auf 80–300 mPa·s ein, um den Farbauftrag auf beschichteten Kartonarten zu kontrollieren
3. Entschäumer (Silikon-/Polyglykol-Blenden) : Verhindert die Bildung von Mikroblasen beim Hochgeschwindigkeitsdruck (300–500 m/min)

Zu den jüngsten Innovationen gehören Nano-Silica-Zusatzstoffe, die die Reibfestigkeit auf wachsbeschichteten Unterlagen um 40 % erhöhen.

Trend: Nachhaltige Verpackungen treiben die Einführung umweltfreundlicher Druckfarben voran

Der Markt für nachhaltige Verpackungen wächst bis 2030 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 7,2 %; wasserbasierte Druckfarben werden mittlerweile in 38 % der Tiefdruckanwendungen eingesetzt. Führende Marken verlangen zunehmend Druckfarben mit einem biologisch abbaubaren Anteil von über 95 % und weniger als 5 % Additive mit APEO. Laut einer Studie des FlexTech Alliance aus dem Jahr 2023 senken hybride UV-Wasser-Systeme den Energieverbrauch um 30 %, behalten dabei aber ihre Haltbarkeit auf recyceltem PET bei.

Verbesserung der Druckfarbhaftung durch Oberflächenbehandlungen und chemische Zusätze

Korona- und Plasmabehandlungen: Erhöhung der Oberflächenenergie für bessere Tintenhaftung

Die Oberflächenenergie spielt eine große Rolle dabei, wie gut die Tinte haftet, insbesondere auf den problematischen Kunststoffen mit niedriger Energie wie Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP). Bei der Koronabehandlung wird im Wesentlichen eine Hochspannung über das Material angelegt, wodurch eine ozonreiche Umgebung entsteht, die die Oberflächenchemie verändert. Dieser Prozess kann die Oberflächenspannung je nach Bedingungen von 30 bis 45 Dyn pro Zentimeter erhöhen. Bei der Plasma-Behandlung wird Gas durch elektrische Felder geleitet, wodurch Ionen entstehen, die die Substratmoleküle selbst verändern. Dadurch lassen sich die Oberflächen viel besser benetzen, sodass Drucker bessere Ergebnisse erzielen, da die Tinte auch auf diesen anspruchsvollen, nicht porösen Folienmaterialien, die in der Verpackungsindustrie heute üblich sind, ordnungsgemäß haftet.

Haftvermittler und Primer für Polyethylen- und Polypropylen-Folien

Chemische Primer lösen Haftungsprobleme auf PE und PP. Silanbasierte Haftvermittler bilden kovalente Bindungen zwischen dem Substrat und der Druckfarbe, wodurch die Abziehfestigkeit um 30–40 % erhöht wird. Für lebensmitteltaugliche Anwendungen bieten wasserbasierte Primer eine umweltfreundliche Alternative, ohne die Bindungsintegrität zu beeinträchtigen.

Kombination von Oberflächenbehandlung mit funktionellen Additiven für dauerhafte Drucke

Integrierte Ansätze liefern die besten Ergebnisse: plasmabehandelte Aluminiumfolien, bedruckt mit UV-beständigen Tiefdruckfarben, behalten nach 500 Stunden beschleunigter Bewitterung 95 % ihrer Farbstärke. Die Zugabe von Gleitmitteln (0,5–1,5 %) senkt den Reibungskoeffizienten um 40 % und schützt den Druck vor Abrieb beim Transport und bei der Handhabung.

FAQ: Häufig gestellte Fragen

Welche Faktoren beeinflussen die Haftung und Haltbarkeit von Tiefdruckfarben?

Die Haftung und Haltbarkeit von Tiefdruckfarben werden durch den Substrattyp, die Oberflächenenergie, die Porosität, die Verwendung geeigneter Farben sowie Oberflächenbehandlungen wie Corona- oder Plasma-Behandlungen beeinflusst.

Welche gängigen Substrate werden im Tiefdruck verwendet?

Zu den gängigen Trägermaterialien gehören Papier, BOPP/PET-Folien und Aluminiumfolien, die jeweils spezifische Anforderungen an die Tintenformulierung stellen, um eine optimale Haftung und Leistung zu gewährleisten.

Warum ist die Oberflächenenergie im Tiefdruck wichtig?

Die Oberflächenenergie beeinflusst, wie gut die Tinte auf einem Trägermaterial benetzt und haftet. Träger mit hoher Oberflächenenergie weisen in der Regel eine bessere Tintenhaftung auf als solche mit niedriger Oberflächenenergie.

Worin unterscheiden sich lösemittelbasierte von wasserbasierten Tinten?

Lösemittelbasierte Tinten eignen sich aufgrund ihrer starken Haftung und schnellen Trocknung besser für nicht poröse Trägermaterialien wie Kunststofffolien. Wasserbasierte Tinten werden bei porösen Materialien wie Papier bevorzugt, da sie umweltfreundlicher sind.

Welche Rolle spielen Additive bei der Leistung wasserbasierter Tinten?

Additive wie Tenside, Verdicker und Entschäumer verbessern die Leistung wasserbasierter Tinten, indem sie die Benetzung, Viskosität und Blasenbildung verhindern.